Une nouvelle méthode rend la lumière infrarouge visible à température ambiante

Les résultats d’origine quantique peuvent grandement simplifier la détection de la lumière infrarouge moyenne à température ambiante.

Des chercheurs de l’Université de Birmingham et de l’Université de Cambridge ont révélé une technique pionnière qui permet de détecter la lumière infrarouge moyenne (MIR) à température ambiante grâce à l’utilisation de systèmes quantiques.

Publié dans Photonique naturelleCette étude a été menée au laboratoire Cavendish de Cambridge et représente une avancée majeure dans la capacité des scientifiques à mieux comprendre le fonctionnement des molécules chimiques et biologiques.

Dans la nouvelle méthode utilisant des systèmes quantiques, l’équipe a converti des photons MIR de faible énergie en photons visibles de haute énergie à l’aide d’émetteurs moléculaires. La nouvelle innovation a le potentiel d’aider les scientifiques à détecter le MIR et à effectuer une spectroscopie au niveau d’une seule molécule, à température ambiante.

Dr Rohit Shekaradi, professeur adjoint Université de BirminghamL’auteur principal de l’étude a expliqué : « Les liaisons qui maintiennent la distance entre les atomes dans les molécules peuvent vibrer comme des ressorts, et ces vibrations résonnent à des fréquences très élevées. Ces ressorts peuvent être déclenchés par une lumière infrarouge moyenne qui n’est pas visible à l’œil humain. À température ambiante, ces ressorts se déplacent de manière aléatoire, ce qui signifie que le principal défi de la détection de la lumière infrarouge moyenne consiste à éviter ce bruit thermique. Les détecteurs modernes reposent sur des dispositifs semi-conducteurs encombrants et gourmands en énergie, mais nos recherches offrent une nouvelle façon passionnante de détecter cette lumière à température ambiante.

La nouvelle approche s’appelle MIR Vibrationally-Assisted Luminescent (MIRVAL) et utilise des molécules qui ont le potentiel d’être du MIR et de la lumière visible. L’équipe a pu regrouper les émetteurs moléculaires dans une très petite cavité plasmonique qui résonnait à la fois dans les bandes MIR et visible. Ils l’ont également conçu de manière à ce que les états vibrationnels moléculaires et les états électroniques puissent interagir, ce qui entraîne un transfert efficace de la lumière MIR vers une fluorescence visible améliorée.

Le Dr Chikaradi a poursuivi : « L’aspect le plus difficile a été de rassembler trois échelles de longueur très différentes – une longueur d’onde visible de plusieurs centaines de nanomètres, des vibrations moléculaires inférieures à un nanomètre et des longueurs d’onde de l’infrarouge moyen de dix mille nanomètres – en une seule plateforme efficace. « 

En créant des cavités à picocavité, des cavités incroyablement petites qui piègent la lumière et sont constituées de molécules uniquesatome Avec des défauts sur les côtés métalliques, les chercheurs ont pu atteindre un volume extrême de capture de lumière inférieur à un nanomètre cube. Cela signifie que l’équipe peut confiner la lumière MIR jusqu’à la taille d’une seule molécule.

Cette réalisation a le potentiel d’approfondir la compréhension de systèmes complexes et ouvre la porte aux vibrations moléculaires de l’énergie infrarouge, qui sont normalement inaccessibles au niveau d’une seule molécule. Mais MERVAL pourrait être utile dans de nombreux domaines, au-delà de la recherche purement scientifique.

« MIRVAL pourrait avoir de nombreuses 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 la signature vibratoire de molécules individuelles aux fréquences MIR », a conclu le Dr Chikaradi. La capacité de détecter le MIR à température ambiante signifie qu’il est beaucoup plus facile d’explorer ces applications et de poursuivre les recherches dans ce domaine. Avec de nouveaux progrès, cette nouvelle méthode trouvera non seulement sa place dans les dispositifs pratiques qui façonneront l’avenir des technologies MIR, mais débloquera également la capacité de manipuler de manière cohérente l’interaction complexe entre les atomes à ressort dans les systèmes quantiques moléculaires.

Référence : « Spectroscopie infrarouge moyen à molécule unique et détection par scintillation assistée par vibration » par Rohit Chikaradi, Rakesh Arul et Lucas A. Jacob et Jeremy J. Bomberg, 28 août 2023, disponible ici. Photonique naturelle.
est ce que je: 10.1038/s41566-023-01263-4