Los hallazgos derivados de la tecnología cuántica podrían facilitar mucho la detección de la luz infrarroja media a temperatura ambiente.
Los científicos han desarrollado un nuevo método para detectar luz del infrarrojo medio (MIR) a temperatura ambiente utilizando sistemas cuánticos.
La investigación, publicada hoy (28 de agosto) en Nature Photonics, se llevó a cabo en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y marca un avance significativo 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 la capacidad de ayudar a los científicos a detectar MIR y realizar espectroscopia a nivel de una sola molécula, a temperatura ambiente.
El Dr. Rohit Chikkaraddy, profesor asistente de la Universidad de Birmingham y 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 ser excitados por la luz de la región del infrarrojo medio que es invisible para el ojo humano. A temperatura ambiente, estos resortes están en movimiento aleatorio, lo que significa que un desafío importante en la detección de la luz del infrarrojo medio es evitar este ruido térmico. Los detectores modernos dependen de dispositivos semiconductores refrigerados. que consumen mucha energía y son voluminosos, pero nuestra investigación presenta una forma nueva y emocionante de detectar esta luz a temperatura ambiente".
El nuevo enfoque se llama Luminiscencia asistida por vibración MIR (MIRVAL) y utiliza moléculas que tienen la capacidad de ser tanto MIR como luz visible. El equipo pudo ensamblar los emisores moleculares en una cavidad plasmónica muy pequeña que resonaba tanto en el rango MIR como en el visible. Además, lo diseñaron para que los estados vibratorios moleculares y los estados electrónicos pudieran interactuar, lo que resultó en una transducción eficiente de la luz MIR en luminiscencia visible mejorada.
El Dr. Chikkaraddy continuó: "El aspecto más desafiante fue reunir tres escalas de longitud muy diferentes: la longitud de onda visible, que es de cientos de nanómetros, las vibraciones moleculares que son de menos de un nanómetro, y las longitudes de onda del infrarrojo medio, que son de diez mil nanómetros. - en una sola plataforma y combinarlos de manera efectiva".
Mediante la creación de picocavidades, cavidades increíblemente pequeñas que atrapan la luz y están formadas por defectos de un solo átomo en las facetas metálicas, los investigadores pudieron lograr un volumen de confinamiento de luz extremo por debajo de un nanómetro cúbico. Esto significó que el equipo pudo confinar la luz MIR hasta la escala de una sola molécula.
Este avance tiene la capacidad de profundizar la comprensión de sistemas complejos y abre la puerta a vibraciones moleculares activas en infrarrojos, que normalmente son inaccesibles a nivel de una sola molécula. Pero MIRVAL podría resultar beneficioso en varios campos, más allá de la pura investigación científica.
El Dr. Chikkaraddy 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 huella vibratoria de moléculas individuales en frecuencias MIR. La capacidad de detectar MIR en La temperatura ambiente significa que es mucho más fácil explorar estas aplicaciones y realizar más investigaciones en este campo. A través de nuevos avances, este nuevo método no sólo podría encontrar su camino en dispositivos prácticos que darán forma al futuro de las tecnologías MIR, sino que también desbloqueará la capacidad de manipular coherentemente la intrincada interacción de los átomos de 'bolas con resortes' en sistemas cuánticos moleculares".
Esta investigación fue realizada por la Universidad de Birmingham
Enlace a la Investigación:
- Rohit Chikkaraddy, Rakesh Arul, Lukas A. Jakob, Jeremy J. Baumberg. "Espectroscopia de infrarrojo medio de una sola molécula y detección mediante luminiscencia asistida por vibración ". Fotónica de la naturaleza , 2023; DOI: 10.1038/s41566-023-01263-4
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Tecnología