Een nieuwe methode maakt infrarood licht zichtbaar bij kamertemperatuur

Kwantumgerelateerde resultaten kunnen de detectie van midden-infraroodlicht bij kamertemperatuur aanzienlijk vereenvoudigen.

Onderzoekers van de Universiteit van Birmingham en de Universiteit van Cambridge hebben een baanbrekende techniek onthuld waarmee midden-infraroodlicht (MIR) op kamertemperatuur kan worden gedetecteerd door het gebruik van kwantumsystemen.

Geplaatst in NatuurfotonicaDeze studie werd uitgevoerd in het Cavendish Laboratory in Cambridge en vertegenwoordigt een grote vooruitgang in het vermogen van wetenschappers om inzicht te krijgen in de werking van chemische en biologische moleculen.

In de nieuwe methode die gebruik maakt van kwantumsystemen, heeft het team laagenergetische MIR-fotonen omgezet in hoogenergetische zichtbare fotonen met behulp van moleculaire emitters. De nieuwe innovatie heeft het potentieel om wetenschappers te helpen MIR te detecteren en spectroscopie uit te voeren op het niveau van één molecuul, bij kamertemperatuur.

Dr. Rohit Shekaradi, universitair docent Universiteit van BirminghamDe hoofdauteur van het onderzoek legde uit: ‘De bindingen die de afstand tussen atomen in moleculen in stand houden, kunnen trillen als veren, en deze trillingen resoneren op zeer hoge frequenties. Deze veren kunnen worden geactiveerd door midden-infraroodlicht dat niet zichtbaar is voor het menselijk oog. Bij kamertemperatuur bewegen deze veren willekeurig, wat betekent dat de belangrijkste uitdaging bij het detecteren van midden-infraroodlicht het vermijden van deze thermische ruis is. Moderne detectoren zijn afhankelijk van omvangrijke, energievretende halfgeleiderapparaten, maar ons onderzoek biedt een opwindende nieuwe manier om dit licht bij kamertemperatuur te detecteren.

De nieuwe aanpak heet MIR Vibrationally-Assisted Luminescent (MIRVAL) en maakt gebruik van moleculen die het potentieel hebben om MIR en zichtbaar licht te zijn. Het team slaagde erin de moleculaire emitters in een zeer kleine plasmonische holte te stoppen die resoneerde in zowel de MIR- als de zichtbare banden. Ze hebben het ook zo ontworpen dat de moleculaire trillingstoestanden en elektronische toestanden kunnen interageren, wat resulteert in een efficiënte overdracht van MIR-licht naar verbeterde zichtbare fluorescentie.

Dr. Chikaradi vervolgde: “Het meest uitdagende aspect was het effectief samenbrengen van drie zeer verschillende lengteschalen – zichtbare golflengte van honderden nanometers, moleculaire trillingen van minder dan een nanometer, en midden-infraroodgolflengten van tienduizend nanometer – in één enkel platform. “

Door picocaviteitsholtes te creëren, ongelooflijk kleine lichtvangende holtes die uit afzonderlijke moleculen bestaanmaïs Dankzij defecten aan de metalen zijkanten konden de onderzoekers een extreem lichtvangend volume van minder dan één kubieke nanometer bereiken. Dit betekent dat het team MIR-licht kan beperken tot de grootte van een enkel molecuul.

Deze prestatie heeft het potentieel om het begrip van complexe systemen te verdiepen en opent de poort naar moleculaire trillingen met infraroodenergie, die normaal gesproken ontoegankelijk zijn op het niveau van één molecuul. Maar MERVAL zou op een aantal gebieden nuttig kunnen zijn, buiten puur wetenschappelijk onderzoek.

Dr. Chikaradi concludeerde: “MIRVAL zou een aantal toepassingen kunnen hebben, zoals realtime gasdetectie, medische diagnostiek, astronomische onderzoeken en kwantumcommunicatie, omdat we nu de trillingssignatuur van individuele moleculen op MIR-frequenties kunnen zien. De mogelijkheid om MIR bij kamertemperatuur te detecteren betekent dat het veel gemakkelijker is om deze toepassingen en verder onderzoek op dit gebied te verkennen. Met verdere vooruitgang zal deze nieuwe methode niet alleen zijn weg vinden naar de praktische apparaten die de toekomst van MIR-technologieën zullen vormgeven, maar ook het vermogen ontsluiten om op coherente wijze de complexe interactie tussen ‘springball’-atomen in moleculaire kwantumsystemen te manipuleren.

Referentie: “Mid-infraroodspectroscopie en detectie met één molecuul door trillingsondersteunde scintillatie” door Rohit Chikaradi, Rakesh Arul en Lucas A. Jacob en Jeremy J. Bomberg, 28 augustus 2023, hier beschikbaar. Natuurfotonica.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4