Lyser vejen til infrarød detektion

EPFL -fysikere foreslår en ny vej til at detektere infrarød stråling med enestående følsomhed, muliggør detektering af signaler så lave som for en enkelt kvant af lys.

Når du bruger vores webcam eller mobiltelefonkamera, vi oplever de enorme muligheder for billige og kompakte sensorer, der er udviklet i de sidste årtier til det synlige område af det elektromagnetiske spektrum. Tværtimod, registrering af lavere frekvensstråling, der ikke er synlig for det menneskelige øje (f.eks. mellem- og fjerninfrarød stråling) kræver komplekst og dyrt udstyr. Manglende kompakt teknologi hindrer udbredt adgang til sensorer til genkendelse af molekyler og billeddannelse af termisk stråling, der naturligt udsendes af vores kroppe. Et nyt begrebsmæssigt gennembrud på dette område kan derfor have enorme konsekvenser i vores daglige liv.

Den mest populære teknik til rådighed til påvisning af mellem- og fjerninfrarød stråling består af bolometers, som består af arrays af små termometre, der måler den varme, der produceres ved absorption af stråling. De har mange begrænsninger, især at være langsom til at reagere og ude af stand til at opdage svage strålingsniveauer.

Den nye tilgang foreslået af EPFL -teamet ledet af Christophe Galland og Tobias Kippenberg følger en helt anden vej:konverter først den usynlige stråling til synligt lys, og derefter opdage det med eksisterende teknologier. Kernen i det nye koncept ligger hybridmetal-molekyl-nanostrukturer. Metallet er skræddersyet til at fokusere infrarød stråling på molekylerne, som derved bringes i vibration. Næste, energien fra de vibrerende molekyler omdannes igen til stråling, men denne gang med en meget højere frekvens, i det synlige domæne. Hybrid nanostrukturen, designet i samarbejde med Diego Martin-Cano (Max-Planck Institute for Light, Erlangen, Tyskland), muliggør høj konverteringseffektivitet, samtidig med at enhedens størrelse reduceres til dimensioner, der er betydeligt mindre end det infrarøde lyss bølgelængde.

Philippe Roelli, hovedforfatter på undersøgelsen, fremhæver, at blandt de forskellige konceptuelle fremskridt, som deres plan forestiller sig, det mest spændende aspekt vedrører dens potentielle følsomhed:"Det lave støjniveau, der tilføjes af molekylær vibration under konverteringsprocessen, gør det muligt at detektere ekstremt svage signaler ved stuetemperatur. Med avancerede enheder, vi forventer at nå kvantebegrænset konvertering og har den unikke mulighed for at løse signalet om enkeltkvanta af infrarødt lys. "

EPFL -undersøgelsen vil inspirere til fremtidige arbejder i grænsefladen mellem overfladevidenskab, nanoteknologi og kvanteoptik til fremme af udviklingen af ​​nye enheder med applikationer inden for infrarød sensing og billeddannelse.