Um novo método torna a luz infravermelha visível à temperatura ambiente

Os resultados derivados de quantum podem simplificar bastante a detecção de luz infravermelha média em temperatura ambiente.

Pesquisadores da Universidade de Birmingham e da Universidade de Cambridge revelaram uma técnica pioneira que permite que a luz infravermelha média (MIR) à temperatura ambiente seja detectada através do uso de sistemas quânticos.

Postado em Fotônica da naturezaEste estudo foi conduzido no Laboratório Cavendish em Cambridge e representa um grande avanço na capacidade dos cientistas de obter informações sobre o funcionamento das moléculas químicas e biológicas.

No novo método que utiliza sistemas quânticos, a equipe converteu fótons MIR de baixa energia em fótons visíveis de alta energia usando emissores moleculares. A nova inovação tem potencial para ajudar os cientistas a detectar MIR e realizar espectroscopia no nível de molécula única, à temperatura ambiente.

Rohit Shekaradi, professor assistente Universidade de BirminghamO principal autor do estudo explicou: “As ligações que mantêm a distância entre os átomos nas moléculas podem vibrar como molas, e essas vibrações ressoam em frequências muito altas. Essas fontes podem ser acionadas por luz infravermelha média que não é visível ao olho humano. À temperatura ambiente, estas molas estão em movimento aleatório, o que significa que o principal desafio na detecção da luz infravermelha média é evitar este ruído térmico. Os detectores modernos dependem de dispositivos semicondutores volumosos e que consomem muita energia, mas nossa pesquisa oferece uma maneira nova e interessante de detectar essa luz em temperatura ambiente.

A nova abordagem é chamada de Luminescente Vibracionalmente Assistida MIR (MIRVAL) e usa moléculas que têm potencial para serem MIR e luz visível. A equipe conseguiu empacotar os emissores moleculares em uma cavidade plasmônica muito pequena que ressoava tanto no MIR quanto nas bandas visíveis. Eles também o projetaram para que os estados vibracionais moleculares e os estados eletrônicos sejam capazes de interagir, resultando em uma transferência eficiente da luz MIR para uma fluorescência visível aprimorada.

Dr Chikaradi continuou: “O aspecto mais desafiador foi reunir três escalas de comprimento amplamente diferentes – comprimento de onda visível de centenas de nanômetros, vibrações moleculares de menos de um nanômetro e comprimentos de onda do infravermelho médio de dez mil nanômetros – em uma única plataforma. “

Ao criar cavidades de picocavidade, cavidades incrivelmente pequenas que capturam luz, compostas de moléculas únicasmilho Com defeitos nas laterais metálicas, os pesquisadores conseguiram atingir um volume extremo de retenção de luz de menos de um nanômetro cúbico. Isto significa que a equipe pode confinar a luz MIR ao tamanho de uma única molécula.

Esta conquista tem o potencial de aprofundar a compreensão de sistemas complexos e abre a porta para vibrações moleculares de energia infravermelha, que normalmente são inacessíveis no nível de molécula única. Mas o MERVAL pode ser útil em diversas áreas, para além da investigação puramente científica.

“O MIRVAL poderia ter vários usos, como detecção de gases em tempo real, diagnósticos médicos, pesquisas astronômicas e comunicação quântica, já que agora podemos ver a assinatura vibracional de moléculas individuais nas frequências MIR”, concluiu o Dr. A capacidade de detectar MIR à temperatura ambiente significa que é muito mais fácil explorar estas aplicações e aprofundar a investigação nesta área. Com mais avanços, este novo método não só encontrará o seu caminho nos dispositivos práticos que moldarão o futuro das tecnologias MIR, mas também desbloqueará a capacidade de manipular de forma coerente a interação complexa entre átomos de ‘bola de mola’ em sistemas quânticos moleculares.

Referência: “Espectroscopia de infravermelho médio de molécula única e detecção por cintilação assistida por vibração” por Rohit Chikaradi, Rakesh Arul e Lucas A. Jacob e Jeremy J. Bomberg, 28 de agosto de 2023, disponível aqui. Fotônica da natureza.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4