Infrarossi visibili a temperatura ambiente ottenuti per la prima volta

Rohit Chikkaraddy/Università di Birmingham

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Uno sforzo di collaborazione tra ricercatori dell’Università di Birmingham e dell’Università di Cambridge nel Regno Unito ha portato allo sviluppo di un nuovo metodo che utilizza sistemi quantistici per aiutare a rilevare la luce nel medio infrarosso (MIR) a temperatura ambiente, si legge in un comunicato stampa.

Il medio infrarosso, come suggerisce il nome, si trova tra le lunghezze d'onda vicine e lontane dello spettro infrarosso, appena al di fuori di quelle della luce visibile. Lo spettro del medio infrarosso ha acquisito particolare importanza in quanto è stato utile per molteplici applicazioni che vanno dai trattamenti militari, ambientali e medici fino allo studio degli oggetti celesti.

I rilevatori utilizzati in questi dispositivi si basano su semiconduttori raffreddati che non sono solo ingombranti ma anche ad alta intensità energetica. Rendendo possibile il rilevamento nel medio infrarosso a temperatura ambiente, i ricercatori hanno aperto nuove strade per la ricerca e dispositivi pratici in vari campi.

Quando gli scienziati cercano di studiare le strutture delle molecole chimiche e biologiche, usano la luce nel medio infrarosso per eccitare i legami tra gli atomi costituenti. Ciò fa vibrare i legami ad alte frequenze.

Anche se in passato gli scienziati lo hanno fatto a basse temperature, farlo a temperatura ambiente significa che devono anche tenere conto del movimento casuale osservato nei legami, che porta a ulteriore rumore termico.

Per evitare il rumore termico, il gruppo di ricerca guidato da Rohit Chikkaraddy, professore assistente di fisica presso l’Università di Birmingham, ha assemblato emettitori molecolari in piccole cavità plasmoniche in modo che risuonino nelle gamme MIR e visibili.

Chiamato MIR Vibrationally-Assisted Luminescenza o MIRVAL, l’approccio include anche la progettazione degli emettitori in modo che i loro stati vibrazionali molecolari e stati elettronici possano interagire e provocare un’efficiente trasduzione della luce MIR in una luminescenza visibile migliorata.

La creazione di picocavità consente l'intrappolamento della luce dalle sorgenti più piccole, come i difetti di un singolo atomo nei metalli. I ricercatori sono riusciti anche a confinare la luce in volumi estremamente piccoli, anche al di sotto di un nanometro cubo, aumentando così la risoluzione dei dati ottenuti.

"L'aspetto più impegnativo è stato riunire tre scale di lunghezza molto diverse: la lunghezza d'onda visibile, che è di centinaia di nanometri, le vibrazioni molecolari, che sono inferiori a un nanometro, e le lunghezze d'onda del medio infrarosso, che sono diecimila nanometri - in un unico sistema piattaforma unica e combinarle in modo efficace", ha affermato Chikkaraddy in un comunicato stampa.

Tori Art/iStock

La svolta del team può aiutarci ad approfondire la nostra comprensione dei sistemi altamente complessi e delle vibrazioni molecolari attive nell'infrarosso fino al livello della singola molecola, cosa che non è mai stata raggiunta prima. Anche se questo aiuterà i ricercatori a studiare meglio le molecole, aprirà anche le porte a molteplici applicazioni.

"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 l'impronta vibrazionale delle singole molecole alle frequenze MIR", ha aggiunto Chikaraddy.

La capacità di rilevamento della temperatura ambiente contribuirà inoltre a facilitare sia le applicazioni che ulteriori ricerche sul campo. I progressi futuri troveranno la loro strada verso dispositivi che potranno poi aiutarci a manipolare gli atomi a livello quantistico, afferma il comunicato stampa.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati oggi sulla rivista Nature Photonics.