Sichtbares Infrarot bei Raumtemperatur erstmals erreicht

Rohit Chikkaraddy/Universität Birmingham

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden.

Eine gemeinsame Anstrengung von Forschern der University of Birmingham und der University of Cambridge im Vereinigten Königreich hat zur Entwicklung einer neuen Methode geführt, die Quantensysteme nutzt, um Licht im mittleren Infrarotbereich (MIR) bei Raumtemperatur zu erkennen, heißt es in einer Pressemitteilung.

Das mittlere Infrarot liegt, wie der Name schon sagt, zwischen den nahen und fernen Wellenlängen des Infrarotspektrums, knapp außerhalb der Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Das mittlere Infrarotspektrum hat besondere Bedeutung erlangt, da es für vielfältige Anwendungen nützlich ist, von militärischen über Umwelt- und medizinische Behandlungen bis hin zur Untersuchung von Himmelsobjekten.

Die in diesen Geräten verwendeten Detektoren basieren auf gekühlten Halbleitern, die nicht nur sperrig, sondern auch energieintensiv sind. Durch die Möglichkeit der Erkennung im mittleren Infrarotbereich bei Raumtemperatur haben die Forscher neue Wege für die Forschung und praktische Geräte in verschiedenen Bereichen eröffnet.

Wenn Wissenschaftler die Strukturen chemischer und biologischer Moleküle untersuchen möchten, nutzen sie Licht im mittleren Infrarotbereich, um die Bindungen zwischen den Atombestandteilen anzuregen. Dadurch vibrieren die Bindungen mit hohen Frequenzen.

Während Wissenschaftler dies in der Vergangenheit bei niedrigen Temperaturen durchgeführt haben, bedeutet dies bei Raumtemperatur, dass sie auch die zufällige Bewegung in Bindungen berücksichtigen müssen, die zu zusätzlichem thermischen Rauschen führt.

Um thermisches Rauschen zu vermeiden, baute das Forschungsteam unter der Leitung von Rohit Chikkaraddy, einem Assistenzprofessor für Physik an der Universität Birmingham, molekulare Emitter in kleinen plasmonischen Hohlräumen zusammen, um im MIR- und sichtbaren Bereich zu resonieren.

Der als MIR Vibrationally-Assisted Lumineszenz oder MIRVAL bezeichnete Ansatz umfasst auch die Konstruktion der Emitter so, dass ihre molekularen Schwingungszustände und elektronischen Zustände interagieren und zu einer effizienten Umwandlung von MIR-Licht in verstärkte sichtbare Lumineszenz führen können.

Die Schaffung von Pikokavitäten ermöglicht das Einfangen von Licht aus kleinsten Quellen, beispielsweise Einzelatomdefekten in Metallen. Die Forscher konnten das Licht auch auf extrem kleine Volumina, sogar unter einem Kubiknanometer, beschränken und so die Auflösung der gewonnenen Daten erhöhen.

„Die größte Herausforderung bestand darin, drei sehr unterschiedliche Längenskalen – die sichtbare Wellenlänge, die Hunderte von Nanometern beträgt, die molekularen Schwingungen, die weniger als einen Nanometer betragen, und die Wellenlängen des mittleren Infrarots, die zehntausend Nanometer betragen – in einem zusammenzuführen „Eine einzige Plattform nutzen und sie effektiv kombinieren“, sagte Chikkaraddy in einer Pressemitteilung.

Tori Art/iStock

Der Durchbruch des Teams kann uns helfen, unser Verständnis hochkomplexer Systeme und infrarotaktiver molekularer Schwingungen bis auf die Ebene einzelner Moleküle zu vertiefen, was noch nie zuvor erreicht wurde. Dies wird Forschern zwar dabei helfen, Moleküle besser zu untersuchen, es öffnet aber auch die Tür zu vielfältigen Anwendungen.

„MIRVAL könnte eine Reihe von Anwendungen haben, wie zum Beispiel Echtzeit-Gaserkennung, medizinische Diagnostik, astronomische Untersuchungen und Quantenkommunikation, da wir jetzt den Schwingungsfingerabdruck einzelner Moleküle bei MIR-Frequenzen sehen können“, fügte Chikaraddy hinzu.

Die Fähigkeit zur Raumtemperaturerkennung wird auch dazu beitragen, sowohl die Anwendung als auch die weitere Forschung auf diesem Gebiet zu vereinfachen. Zukünftige Fortschritte werden ihren Weg in Geräte finden, die uns dann helfen können, Atome auf Quantenebene zu manipulieren, heißt es in der Pressemitteilung.

Die Forschungsergebnisse wurden heute in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.