Zobaczyć niewidzialne: naukowcy znajdują sposób na widzenie podczerwieni
Wyniki przeprowadzonych niedawno badań, opublikowane w czasopiśmie „Science”, ukazują nowe podejście do wykrywania niewidzialnego dla ludzkiego oka światła podczerwonego. Badania, wspierane przez finansowane ze środków UE projekty THOR, POSEIDON, PICOFORCE i BioNet, dają nadzieję na uruchomienie produkcji opłacalnych, wielkoskalowych detektorów podczerwieni i opracowania technik spektroskopowych do monitorowania emisji gazów cieplarnianych, wykrywania nowotworów i badania dalszych obszarów wszechświata. Fale podczerwone to ostatnie przed pasmem światła widzialnego pasmo widma elektromagnetycznego. Mimo że ludzkie oko zwykle go nie widzi, promieniowanie podczerwone można odbierać jako ciepło. Światło z zakresu średniej podczerwieni – obszar w środku pasma – przypada na zakres częstotliwości od 20 do 215 teraherców. W porównaniu z obszarami bliskiej i dalekiej podczerwieni daje ono wrażenie umiarkowanego ciepła. Aby wykryć to słabe promieniowanie podczerwone, naukowcy używają obecnie drogich i energochłonnych urządzeń, które wymagają chłodzenia do bardzo niskich temperatur. Rozwiązanie zaproponowane przez zespół badawczy wspierany przez UE ma stanowić odpowiedź na ten problem. Umożliwia ono konwersję światła podczerwonego na widzialne częstotliwości, których wykrywanie i pomiar są znacznie prostsze.
Jak złapać światło?
Zespół wykorzystał warstwę jednoatomową do pułapkowania różnych częstotliwości z zakresu średniej podczerwieni wewnątrz jej drgających wiązań chemicznych. Zgodnie z informacją prasową opublikowaną w „ScienceDaily” drgające cząsteczki oddają swoją energię napotykanemu światłu widzialnemu, przekształcając częstotliwość fotonów średniej podczerwieni na wyższą częstotliwość. Konwersja w górę wywołuje emisję światła łatwo wykrywanego przez stosowane obecnie kamery działające w paśmie widzialnym. Jak czytamy w informacji, największym problemem było odpowiednio szybkie doprowadzenie do oddziaływania między drgającymi cząsteczkami a światłem widzialnym. „Oznaczało to, że musieliśmy spułapkować światło naprawdę blisko cząstek, wciskając je we wnęki otoczone złotem”, wyjaśnia główny badacz, dr Angelos Xomalis z Uniwersytetu w Cambridge, który jest partnerem projektów THOR i POSEIDON oraz koordynatorem projektu PICOFORCE. Naukowcy umieścili pojedyncze warstwy molekuł między lustrem a malutkimi kawałkami złota. „Jednoczesne pułapkowanie fal światła odpowiadających różnym kolorom było trudne, ale chcieliśmy znaleźć sposób, który nie byłby drogi i umożliwiałby łatwe wytwarzanie praktycznych urządzeń”, zauważa w tym samym komunikacie prasowym współautor badania, dr Rohit Chikkaraddy, również z Uniwersytetu w Cambridge. Integrując takie detektory podczerwieni z płytkami krzemowymi, zespół uzyskał pierwsze działające urządzenia w powstającej dziedzinie optomechaniki molekularnej. Profesor Uniwersytetu w Cambridge i autor-korespondent uczestniczący w badaniu, Jeremy Baumberg, opisuje osiągnięcie: „To jak słuchanie rozchodzących się powoli fal sejsmicznych przez umieszczenie na ich drodze struny skrzypiec, która wytworzy wysoki dźwięk, łatwy do wychwycenia uchem. Trudność polega na tym, by nie uszkodzić przy okazji skrzypiec”. Projekt THOR (TeraHertz detection enabled by mOleculaR optomechanics) kończy się w sierpniu 2022 roku. Projekty POSEIDON (NanoPhOtonic devices applying SElf-assembled colloIDs for novel ON-chip light sources) i BioNet (Dynamical Redesign of Biomolecular Networks) dobiegną końca w 2023 roku, natomiast PICOFORCE (Pico-Photonic Forces at the Atomic Scale) – w 2025 roku. Więcej informacji: strona projektu THOR strona projektu POSEIDON projekt PICOFORCE projekt BioNet
Słowa kluczowe
THOR, POSEIDON, PICOFORCE, BioNet, światło, podczerwień, światło widzialne, cząsteczka, średnia podczerwień, wykrywanie
