Новий метод робить інфрачервоне світло видимим за кімнатної температури

Квантові результати можуть спростити виявлення середнього інфрачервоного світла при кімнатній температурі. Дослідники з Бірмінгемського та Кембриджського університетів представили новаторську техніку, яка дозволяє виявляти світло середнього інфрачервоного діапазону (MIR) за кімнатної температури за допомогою квантових систем.

Дослідження, опубліковане в журналі Nature Photonics, було проведено в Кембриджській Кавендішській лабораторії і є великим кроком уперед у здатності вчених отримати уявлення про роботу хімічних та біологічних молекул.

У новому методі з використанням квантових систем команда перетворила фотони MIR низької енергії на видимі фотони високої енергії за допомогою молекулярних випромінювачів. Нове нововведення може допомогти вченим виявити MIR та виконати спектроскопію на рівні одиночних молекул за кімнатної температури.

Доктор Рохіт Чіккарадді, доцент Університету Бірмінгема та провідний автор дослідження, пояснив: «Зв’язки, які підтримують відстань між атомами в молекулах, можуть вібрувати, як пружини, і ці вібрації резонують на дуже високих частотах. Ці пружини можуть порушуватись світлом середньої інфрачервоної області, невидимим для людського ока. За кімнатної температури ці пружини здійснюють хаотичні рухи, а це означає, що основною проблемою при виявленні середнього інфрачервоного світла є уникнення теплового шуму. Сучасні детектори засновані на напівпровідникових пристроях, що охолоджуються, які є енергоємними і громіздкими, але наше дослідження представляє новий і цікавий спосіб виявлення цього світла при кімнатній температурі».

Новий підхід називається MIR-вібраційна люмінесценція (MIRVAL) та використовує молекули, здатні бути одночасно MIR- та видимим світлом. Команді вдалося зібрати молекулярні емітери в дуже маленьку плазмову порожнину, яка мала резонанс як у СІК, так і видимому діапазонах. Далі вони сконструювали його так, щоб коливальні стани молекул та електронні стани могли взаємодіяти, що призвело до ефективного перетворення MIR-світла на посилену видиму люмінесценцію.

Доктор Чиккарадді продовжив: «Найскладнішим аспектом було об’єднати три абсолютно різні масштаби довжини – видиму довжину хвилі, що становить сотні нанометрів, молекулярні вібрації, що становлять менше нанометра, та середні інфрачервоні довжини хвиль, що становлять десять тисяч нанометрів – у єдину платформу» і ефективно об’єднати.

Завдяки створенню пікоказону, неймовірно маленьких порожнин, які вловлюють світло та утворюються одноатомними дефектами на металевих гранях, дослідники змогли досягти надзвичайного обсягу утримання світла менше одного кубічного нанометра. Це означало, що команда могла обмежити MIR-світло до масштабу однієї молекули.

Цей прорив здатний поглибити розуміння складних систем та відкрити шлях до інфрачервоно-активних молекулярних коливань, які зазвичай недоступні на рівні одиночних молекул. Але MIRVAL може виявитися корисним у ряді областей, окрім суто наукових досліджень.

Доктор Чиккарадді зробив висновок: «MIRVAL може мати безліч застосувань, таких як зондування газу в реальному часі, медична діагностика, астрономічні дослідження та квантовий зв’язок, оскільки тепер ми можемо бачити вібраційні відбитки окремих молекул на частотах MIR. Можливість виявлення MIR при кімнатній температурі означає, що набагато простіше дослідження в цій галузі. Завдяки подальшому розвитку цей новий метод може не тільки знайти застосування у практичних пристроях, які визначать майбутнє технологій СВІТ, але й відкрити можливість послідовно маніпулювати складною взаємодією атомів «кульок із пружинами» у молекулярних квантових системах». Джерело