Sebuah metode baru membuat cahaya inframerah terlihat pada suhu kamar

Para peneliti mengembangkan metode MIRVAL untuk mengubah foton inframerah-tengah menjadi foton tampak pada suhu kamar, yang memungkinkan spektroskopi molekul tunggal dan memiliki aplikasi luas dalam penginderaan gas, diagnostik medis, astronomi, dan komunikasi kuantum.

Hasil yang diturunkan dari kuantum mungkin sangat menyederhanakan pendeteksian cahaya inframerah-tengah pada suhu kamar.

Para peneliti dari Universitas Birmingham dan Universitas Cambridge telah meluncurkan teknologi perintis yang memungkinkan cahaya inframerah-tengah (MIR) dideteksi pada suhu kamar melalui penggunaan sistem kuantum.

Diterbitkan di Fotonik alamStudi ini dilakukan di Laboratorium Cavendish di Cambridge dan mewakili kemajuan besar dalam kemampuan ilmuwan untuk mendapatkan wawasan tentang cara kerja molekul kimia dan biologi.

Dalam metode baru, yang menggunakan sistem kuantum, tim mengubah foton MIR berenergi rendah menjadi foton berenergi tinggi menggunakan pemancar molekuler. Inovasi baru ini berpotensi membantu para ilmuwan mendeteksi MIR dan melakukan spektroskopi pada tingkat molekul tunggal, pada suhu kamar.

Dr Rohit Shekarade, Asisten Profesor di Universitas Birmingham“Ikatan yang menjaga jarak antar atom dalam molekul dapat bergetar seperti pegas, dan getaran ini beresonansi pada frekuensi yang sangat tinggi,” jelas penulis utama studi tersebut. Mata air ini dapat dibangkitkan oleh cahaya inframerah tengah yang tidak terlihat oleh mata manusia. Pada suhu kamar, pegas-pegas ini bergerak secara acak yang berarti bahwa tantangan utama dalam mendeteksi cahaya inframerah-tengah adalah menghindari kebisingan termal ini. Detektor modern mengandalkan perangkat semikonduktor berpendingin yang mengonsumsi banyak daya dan berukuran besar, namun penelitian kami menawarkan cara baru yang menarik untuk mendeteksi cahaya ini pada suhu kamar.

Pendekatan baru ini disebut MIR Vibrationally-Assisted Luminescent (MIRVAL) dan menggunakan molekul yang berpotensi menjadi MIR dan cahaya tampak. Tim ini mampu merakit pemancar molekuler ke dalam rongga plasmonik yang sangat kecil yang beresonansi baik di MIR maupun pita terlihat. Mereka juga merancangnya sehingga keadaan getaran molekuler dan keadaan elektronik dapat berinteraksi, menghasilkan transmisi cahaya MIR yang efisien menjadi fluoresensi tampak yang ditingkatkan.

“Aspek yang paling menantang adalah menyatukan tiga skala panjang yang sangat berbeda – panjang gelombang tampak ratusan nanometer, getaran molekul sub-nanometer, dan panjang gelombang inframerah tengah sepuluh ribu nanometer – ke dalam satu platform dan mengintegrasikannya,” Dr. . Chikaradi melanjutkan. secara efektif.”

Dengan menciptakan rongga picocavity, rongga sangat kecil yang memerangkap cahaya yang terdiri dari molekul tunggalJagung Dengan cacat pada sisi logam, para peneliti mampu mencapai volume penangkapan cahaya yang intens kurang dari satu nanometer kubik. Ini berarti tim dapat membatasi cahaya MIR hingga seukuran satu molekul.

Terobosan ini berpotensi memperdalam pemahaman sistem yang kompleks, dan membuka pintu gerbang menuju getaran molekul energetik inframerah, yang biasanya tidak dapat diakses pada tingkat molekul tunggal. Namun MERVAL dapat berguna dalam sejumlah bidang, di luar penelitian ilmiah murni.

“MIRVAL dapat memiliki sejumlah kegunaan seperti penginderaan gas secara real-time, diagnostik medis, survei astronomi, dan komunikasi kuantum, karena kita sekarang dapat melihat tanda getaran molekul individu pada frekuensi MIR,” Dr. Chikaradi menyimpulkan. Kemampuan untuk mendeteksi MIR pada suhu kamar berarti lebih mudah untuk mengeksplorasi aplikasi ini dan melakukan penelitian lebih lanjut di bidang ini. Melalui kemajuan lebih lanjut, metode baru ini tidak hanya dapat diterapkan pada perangkat praktis yang akan membentuk masa depan teknologi MIR, namun juga akan membuka kemampuan untuk secara koheren menangani interaksi kompleks antara atom “bola pegas” dalam sistem kuantum molekuler.

Referensi: “Spektroskopi inframerah-tengah molekul tunggal dan deteksi dengan pendaran berbantuan getaran” oleh Rohit Chikarade, Rakesh Arul, dan Lucas A. Jacob, Jeremy J. Bomberg, 28 Agustus 2023, Fotonik alam.
doi: 10.1038/s41566-023-01263-4