UPV, convertir luz infrarroja en visible
Investigadores de la Universitat Politècnica de València han participado en dos experimentos internacionales, publicados en Science, en los que se ha conseguido convertir al visible la luz infrarroja
· Estos resultados abren la puerta a nuevos sistemas para detección de contaminantes, observación del universo, así como en análisis químico y biológico.
Nanotecnología para convertir luz infrarroja en visible
La detección de la luz, base de muchas tecnologías modernas, es relativamente sencilla en el visible – incluso nuestros ojos pueden hacerlo – y en el infrarrojo cercano. Sin embargo, dicha detección se complica cuando la longitud de onda se va haciendo más grande (y la frecuencia más pequeña) y nos movemos a los rangos espectrales del infrarrojo e incluso los terahercios. La razón es que en estas bandas espectrales la luz transporta muy poca energía en comparación con el calor ambiental a temperatura ambiente. Este “ruido” ambiental oscurece la luz infrarroja a menos que se usen detectores especializados que funcionan a temperaturas muy bajas, lo que es caro y consume mucha energía.
La Universitat Politècnica de València (UPV), con su Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC), ha participado junto a investigadores de Reino Unido, Países Bajos, y Suiza, en el desarrollo y validación de nueva tecnología con la que han logrado convertir luz infrarroja en visible, rango en el que puede ser detectada con sistemas convencionales. Dichos experimentos, realizados en el marco del proyecto europeo THOR, han sido publicados en la revista Science.
Alejandro Martinez ntc upv 2
“La idea básica es que la materia vibra a frecuencias muy altas, del orden de decenas de terahercios. Así podemos usar moléculas como mezcladores y conseguir convertir la frecuencia de la radiación infrarroja incidente en luz visible”, explica Alejandro Martínez, investigador del NTC y catedrático de la UPV.
De momento, estos resultados abren la puerta a nuevos sistemas de detección para aplicación en imagen térmica, observación del universo, detección de contaminantes, así como en análisis químico y biológico. Sin embargo, como indica Martínez, el hecho de poder detectar luz a frecuencias donde no es fácil hacerlo puede dar lugar a aplicaciones que no podemos prever a día de hoy.
“Esta tecnología permitirá inspeccionar un régimen frecuencial en el que ahora prácticamente no detectamos nada, porque con los detectores actuales son ineficientes, lentos, voluminosos y necesitan funcionar a temperaturas criogénicas.”, incide el investigador del NTC-UPV.
La generación, manipulación y detección de ondas electromagnéticas en todo el espectro de frecuencias es la piedra angular de las tecnologías modernas, que sustenta amplias disciplinas en la detección, la formación de imágenes, la espectroscopia y el procesamiento de datos, entre otros.
Si bien el siglo pasado ha sido testigo de una evolución impresionante en los dispositivos que operan a frecuencias por debajo de 0.1 THz (tecnología de microondas y antenas) o por encima de 50 THz (tecnología óptica de infrarrojo cercano y visible), entre la falta de materiales y estructuras adecuados para un funcionamiento electromagnético eficiente. La manipulación ha dado lugar a la llamada «brecha de THz»: una banda de frecuencias en la región de 0,3 a 30 THz del espectro para la que no existen fuentes y detectores compactos y rentables, a pesar de que su aplicación tiene un enorme potencial en medicina. diagnósticos, seguridad, astronomía,
Alejandro Martinez ntc upv
En este proyecto, demostraremos el primer detector a nanoescala, rentable, rápido y de bajo ruido que funciona a temperatura ambiente en el rango de 1 a 30 THz mediante el desarrollo de un concepto radicalmente nuevo de conversión ascendente de señal a visible / cercano. radiación infrarroja (VIS / NIR), aprovechando los últimos avances científicos en el nuevo campo científico de la optomecánica de cavidades moleculares.
En particular, diseñaremos y sintetizaremos moléculas con gran actividad vibratoria IR y Raman en ese rango de THz para integrarlas en nanocavidades y picocavidades plasmónicas de modo que su vibración medie la transferencia coherente de energía desde el THz al impulso de la señal láser. la cavidad. En nuestro enfoque, también emplearemos antenas THz para mejorar la eficiencia de acoplamiento del campo THz a las moléculas.
Esta visión audaz, que se basa en los fundamentos de la interacción luz-materia (ciencia) y converge hacia la integración en el chip en un chip compatible con silicio (tecnología), supera por completo cualquier paradigma tecnológico anterior relacionado con la medición de la vibración molecular THz como así como su posible manipulación.
Experimentos complejos
La validación experimental de la tecnología desarrollada fue ardua: se necesitaban nanoantenas duales que trabajasen en regímenes espectrales muy diferentes y que fueran capaces tanto de recoger eficientemente la luz infrarroja incidente como de localizar la luz visible en las regiones nanométricas donde se sitúan las moléculas. “Lo fundamental es usar nanoestructuras de oro, que son las que nos permiten capturar y localizar la luz en regiones del tamaño de la molécula”, explica Martínez.
La diferencia entre los dos experimentos es la nanoantena usada: en el primero de ellos, realizado en la Universidad de Cambridge, se situó una nanoesfera encima de un disco, en el experimento realizado en la Escuela Politécnica Federal de Lausana, colocaron dicha nanoesfera en una rendija nanométrica.
“Nuestro próximo objetivo es llegar a frecuencias más bajas, en la banda de los terahercios, donde no hay detectores eficientes que funcionen a temperatura ambiente. Para ello lo que haremos será cambiar la molécula”, explica Martínez. “Y, además, lo queremos implementar en un chip de silicio, por lo que la tecnología sería muy barata y compatible con la microelectrónica”, concluye Alejandro Martínez.
Financiación Proyecto THOR https://h2020thor.eu/
Referencias
W. Chen, P. Roelli, H. Hu, S. Verlekar, S. Priya Amirtharaj, A. I. Barreda, T. J. Kippenberg, M. Kovylina, E. Verhagen, A. Martínez, C. Galland, “Continuous-Wave Frequency Upconversion with a Molecular Optomechanical Nanocavity,” Science (2021). DOI: 10.1126/science.abk3106
A. Xomalis, X. Zheng, R. Chikkaraddy, Z. Koczor-Benda, E. Miele, E. Rosta, G. A E Vandenbosch, A. Martínez, J. J Baumberg, “Detecting mid-infrared light by molecular frequency upconversion with dual-wavelength hybrid nanoantennas”, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abk2593