Un nuevo método hace visible la luz infrarroja a temperatura ambiente

Los resultados derivados de la tecnología cuántica pueden simplificar enormemente la detección de luz infrarroja media a temperatura ambiente.

Investigadores de la Universidad de Birmingham y la Universidad de Cambridge han revelado una técnica pionera que permite detectar luz infrarroja media (MIR) a temperatura ambiente mediante el uso de sistemas cuánticos.

Publicado en Fotónica de la naturalezaEste estudio se llevó a cabo en el Laboratorio Cavendish de Cambridge y representa un avance importante en la capacidad de los científicos para comprender mejor el funcionamiento de las moléculas químicas y biológicas.

En el nuevo método que utiliza sistemas cuánticos, el equipo convirtió fotones MIR de baja energía en fotones visibles de alta energía utilizando emisores moleculares. La nueva innovación tiene el potencial de ayudar a los científicos a detectar MIR y realizar espectroscopia a nivel de una sola molécula, a temperatura ambiente.

Dr. Rohit Shekaradi, profesor asistente Universidad de BirminghamEl autor principal del estudio explicó: “Los enlaces que mantienen la distancia entre los átomos en las moléculas pueden vibrar como resortes, y estas vibraciones resuenan a frecuencias muy altas. Estos resortes pueden activarse mediante luz infrarroja media que no es visible para el ojo humano. A temperatura ambiente, estos resortes se mueven aleatoriamente, lo que significa que el principal desafío al detectar la luz del infrarrojo medio es evitar este ruido térmico. Los detectores modernos dependen de dispositivos semiconductores voluminosos y que consumen mucha energía, pero nuestra investigación ofrece una nueva e interesante forma de detectar esta luz a temperatura ambiente.

El nuevo enfoque se llama MIR Luminiscente Asistida por Vibración (MIRVAL) y utiliza moléculas que tienen el potencial de ser MIR y luz visible. El equipo pudo empaquetar los emisores moleculares en una cavidad plasmónica muy pequeña que resonaba tanto en la banda MIR como en la visible. También lo diseñaron para que los estados vibratorios moleculares y los estados electrónicos puedan interactuar, lo que da como resultado una transferencia eficiente de la luz MIR a una fluorescencia visible mejorada.

El Dr. Chikaradi continuó: “El aspecto más desafiante fue reunir tres escalas de longitud muy diferentes (longitud de onda visible de cientos de nanómetros, vibraciones moleculares de menos de un nanómetro y longitudes de onda del infrarrojo medio de diez mil nanómetros) en una sola plataforma de manera efectiva. «

Al crear cavidades de picocavidades, cavidades increíblemente pequeñas que atrapan la luz y están formadas por moléculas individuales.maíz Con defectos en los lados metálicos, los investigadores pudieron lograr un volumen extremo de captura de luz de menos de un nanómetro cúbico. Esto significa que el equipo puede confinar la luz MIR al tamaño de una sola molécula.

Este logro tiene el potencial de profundizar la comprensión de sistemas complejos y abre la puerta a las vibraciones moleculares de energía infrarroja, que normalmente son inaccesibles a nivel de una sola molécula. Pero MERVAL podría resultar útil en varios ámbitos, más allá de la investigación puramente científica.

El Dr. Chikaradi concluyó: “MIRVAL podría tener varios usos, como detección de gases en tiempo real, diagnóstico médico, estudios astronómicos y comunicación cuántica, ya que ahora podemos ver la firma vibratoria de moléculas individuales en frecuencias MIR. La capacidad de detectar MIR a temperatura ambiente significa que es mucho más fácil explorar estas aplicaciones y realizar más investigaciones en esta área. Con mayores avances, este nuevo método no sólo se abrirá camino en los dispositivos prácticos que darán forma al futuro de las tecnologías MIR, sino que también desbloqueará la capacidad de manipular de forma coherente la compleja interacción entre átomos «springball» en sistemas cuánticos moleculares.

Referencia: “Espectroscopia de infrarrojo medio de una sola molécula y detección mediante centelleo asistido por vibración” por Rohit Chikaradi, Rakesh Arul y Lucas A. Jacob y Jeremy J. Bomberg, 28 de agosto de 2023, disponible aquí. Fotónica de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4