Infrarouge visible à température ambiante obtenu dans un premier temps

Rohit Chikkaraddy/Université de Birmingham

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Un effort de collaboration entre des chercheurs de l'Université de Birmingham et de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni a conduit au développement d'une nouvelle méthode qui utilise des systèmes quantiques pour aider à détecter la lumière infrarouge moyen (MIR) à température ambiante, indique un communiqué de presse.

L'infrarouge moyen, comme son nom l'indique, se situe entre les longueurs d'onde proches et lointaines du spectre infrarouge, juste en dehors de celles de la lumière visible. Le spectre infrarouge moyen a acquis une importance particulière car il a été utile pour de multiples applications allant des traitements militaires aux traitements environnementaux et médicaux et à l'étude des objets célestes.

Les détecteurs utilisés dans ces appareils reposent sur des semi-conducteurs refroidis qui sont non seulement encombrants mais également énergivores. En rendant possible la détection de l’infrarouge moyen à température ambiante, les chercheurs ont ouvert de nouvelles voies de recherche et de nouveaux dispositifs pratiques dans divers domaines.

Lorsque les scientifiques cherchent à étudier les structures de molécules chimiques et biologiques, ils utilisent la lumière infrarouge moyenne pour exciter les liaisons entre les atomes qui les constituent. Cela fait vibrer les liens à hautes fréquences.

Bien que les scientifiques l'aient fait à basse température dans le passé, le faire à température ambiante signifie qu'ils doivent également tenir compte du mouvement aléatoire observé dans les liaisons, conduisant à un bruit thermique supplémentaire.

Pour éviter le bruit thermique, l'équipe de recherche dirigée par Rohit Chikkaraddy, professeur adjoint de physique à l'Université de Birmingham, a assemblé des émetteurs moléculaires dans de petites cavités plasmoniques pour résonner dans le MIR et dans le visible.

Appelée MIR Vibrationally-Assisted Luminescence ou MIRVAL, l’approche comprend également l’ingénierie des émetteurs afin que leurs états vibrationnels moléculaires et leurs états électroniques puissent interagir et aboutir à une transduction efficace de la lumière MIR en luminescence visible améliorée.

La création de picocavités permet de piéger la lumière provenant des plus petites sources, telles que les défauts d'un seul atome dans les métaux. Les chercheurs pourraient également confiner la lumière dans des volumes extrêmement petits, même inférieurs au nanomètre cube, augmentant ainsi la résolution des données obtenues.

"L'aspect le plus difficile a été de rassembler trois échelles de longueur très différentes – la longueur d'onde visible, qui est de plusieurs centaines de nanomètres, les vibrations moléculaires, qui sont inférieures à un nanomètre, et les longueurs d'onde de l'infrarouge moyen, qui sont de dix mille nanomètres – en une seule. plateforme unique et les combiner efficacement », a déclaré Chikkaraddy dans un communiqué de presse.

Tori Art/iStock

La percée de l'équipe peut nous aider à approfondir notre compréhension des systèmes très complexes et des vibrations moléculaires actives infrarouges jusqu'au niveau d'une seule molécule, ce qui n'a jamais été atteint auparavant. Bien que cela aide les chercheurs à mieux étudier les molécules, cela ouvre également la porte à de multiples applications.

"MIRVAL pourrait avoir un certain nombre d'utilisations telles que la détection de gaz en temps réel, les diagnostics médicaux, les études astronomiques et la communication quantique, car nous pouvons désormais voir l'empreinte vibratoire de molécules individuelles aux fréquences MIR", a ajouté Chikaraddy.

La capacité de détection de la température ambiante contribuera également à faciliter les applications et les recherches ultérieures dans ce domaine. Les progrès futurs se retrouveront dans des dispositifs qui pourront ensuite nous aider à manipuler les atomes à un niveau quantique, indique le communiqué de presse.

Les résultats de la recherche ont été publiés aujourd'hui dans la revue Nature Photonics.