Un nuovo metodo rende la luce infrarossa visibile a temperatura ambiente

I risultati di derivazione quantistica potrebbero semplificare notevolmente il rilevamento della luce nel medio infrarosso a temperatura ambiente.

Ricercatori dell’Università di Birmingham e dell’Università di Cambridge hanno rivelato una tecnica pionieristica che consente di rilevare la luce del medio infrarosso (MIR) a temperatura ambiente attraverso l’uso di sistemi quantistici.

pubblicato in Fotonica della naturaQuesto studio è stato condotto presso il Cavendish Laboratory di Cambridge e rappresenta un importante progresso nella capacità degli scienziati di ottenere informazioni dettagliate sul funzionamento delle molecole chimiche e biologiche.

Nel nuovo metodo, che utilizza sistemi quantistici, il team ha convertito fotoni MIR a bassa energia in fotoni visibili ad alta energia utilizzando emettitori molecolari. La nuova innovazione ha il potenziale per aiutare gli scienziati a rilevare la MIR ed eseguire la spettroscopia a livello di singola molecola, a temperatura ambiente.

Dott. Rohit Shekaradi, professore assistente Università di Birmingham“I legami che mantengono la distanza tra gli atomi nelle molecole possono vibrare come molle, e queste vibrazioni risuonano a frequenze molto elevate”, ha spiegato l’autore principale dello studio. Queste sorgenti possono essere eccitate dalla luce nel medio infrarosso invisibile all’occhio umano. A temperatura ambiente, queste molle si muovono in modo casuale, il che significa che la sfida principale nel rilevare la luce nel medio infrarosso è evitare questo rumore termico. I rilevatori moderni si basano su dispositivi a semiconduttore raffreddati che consumano molta energia e sono ingombranti, ma la nostra ricerca offre un nuovo entusiasmante modo per rilevare questa luce a temperatura ambiente.

Il nuovo approccio si chiama MIR Vibrationally-Assisted Luminescent (MIRVAL) e utilizza molecole che hanno il potenziale per essere sia MIR che luce visibile. Il team è stato in grado di assemblare emettitori molecolari in una cavità plasmonica molto piccola che risuonava sia nella banda MIR che in quella visibile. Lo hanno inoltre progettato in modo che gli stati vibrazionali molecolari e gli stati elettronici siano in grado di interagire, determinando una trasmissione efficiente della luce MIR in una fluorescenza visibile potenziata.

“L’aspetto più impegnativo è stato riunire tre scale di lunghezza molto diverse – la lunghezza d’onda visibile di centinaia di nanometri, le vibrazioni molecolari sub-nanometriche e le lunghezze d’onda del medio infrarosso di diecimila nanometri – in un’unica piattaforma e integrarle”, ha affermato il dott. . Chikaradi continuò. in modo efficace.”

Creando cavità picocavità, cavità incredibilmente piccole che intrappolano la luce costituite da singole molecolemais Con difetti sui lati metallici, i ricercatori sono riusciti a ottenere un volume di intrappolamento della luce intenso inferiore a un nanometro cubo. Ciò significa che il team può confinare la luce MIR fino alla dimensione di una singola molecola.

Questa svolta ha il potenziale per approfondire la comprensione dei sistemi complessi e apre la porta alle vibrazioni molecolari energetiche infrarosse, che sono tipicamente inaccessibili a livello di singola molecola. Ma MERVAL potrebbe essere utile in una serie di settori, oltre alla pura ricerca scientifica.

“MIRVAL potrebbe avere una serie di usi come il rilevamento di gas in tempo reale, la diagnostica medica, le indagini astronomiche e la comunicazione quantistica, poiché ora possiamo vedere la firma vibrazionale delle singole molecole alle frequenze MIR”, ha concluso il dottor Chikaradi. La capacità di rilevare MIR a temperatura ambiente significa che è molto più semplice esplorare queste applicazioni e approfondire la ricerca in questo settore. Con ulteriori progressi, questo nuovo metodo non solo troverà la sua strada nei dispositivi pratici che daranno forma al futuro delle tecnologie MIR, ma sbloccherà anche la capacità di manipolare in modo coerente la complessa interazione tra gli atomi “a molla” nei sistemi quantistici molecolari.

Riferimento: “Spettroscopia nel medio infrarosso a singola molecola e rilevamento mediante luminescenza assistita da vibrazioni” di Rohit Chikarade, Rakesh Arul e Lucas A. Jacob e Jeremy J. Bomberg, 28 agosto 2023, disponibili qui. Fotonica della natura.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4