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Científicos de las universidades de Birmingham y Cambridge han desarrollado un nuevo método para detectar la luz infrarroja media (MIR) a temperatura ambiente utilizando sistemas cuánticos.
La investigación, publicada en la revista ‘Nature Photonics’, se ha llevado a cabo en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y supone un avance significativo en la capacidad de los científicos para conocer el funcionamiento de las moléculas químicas y biológicas.
En el nuevo método que utiliza sistemas cuánticos, el equipo convirtió fotones MIR de baja energía en fotones visibles de alta energía utilizando emisores moleculares. El nuevo hallazgo tiene la capacidad de ayudar a los científicos a detectar MIR y realizar espectroscopia a nivel de una sola molécula, a temperatura ambiente.
El doctor Rohit Chikkaraddy, profesor adjunto de la Universidad de Birmingham y autor principal del estudio, explica que “los enlaces que mantienen la distancia entre los átomos de las moléculas pueden vibrar como muelles, y estas vibraciones resuenan a frecuencias muy altas. Estos resortes pueden excitarse con luz de la región infrarroja media, invisible para el ojo humano”.
“A temperatura ambiente, estos resortes se mueven aleatoriamente, lo que significa que uno de los principales retos a la hora de detectar la luz infrarroja media es evitar este ruido térmico –agrega en un comunicado–. Los detectores modernos se basan en dispositivos semiconductores refrigerados que consumen mucha energía y son voluminosos, pero nuestra investigación presenta una forma nueva y emocionante de detectar esta luz a temperatura ambiente”.
El nuevo enfoque se denomina luminiscencia asistida por vibración MIR (MIRVAL, por sus siglas en inglés), y utiliza moléculas que tienen la capacidad de ser tanto luz MIR como visible.
El equipo consiguió ensamblar los emisores moleculares en una cavidad plasmónica muy pequeña que resonaba tanto en el rango MIR como en el visible. Además, la diseñaron de modo que los estados vibracionales y electrónicos de las moléculas pudieran interactuar, lo que dio lugar a una transducción eficaz de la luz MIR en luminiscencia visible mejorada.
“Lo más difícil era reunir tres escalas de longitud muy diferentes: la longitud de onda visible, de cientos de nanómetros, las vibraciones moleculares, de menos de un nanómetro, y las longitudes de onda del infrarrojo medio, de diez mil nanómetros, en una sola plataforma y combinarlas eficazmente”, añade Chikkaraddy.
Mediante la creación de picocavidades, cavidades increíblemente pequeñas que atrapan la luz y están formadas por defectos de un solo átomo en las facetas metálicas, los investigadores lograron un volumen extremo de confinamiento de la luz inferior a un nanómetro cúbico. De este modo, el equipo pudo confinar la luz MIR hasta la escala de una sola molécula.
Este avance puede ayudar a comprender mejor los sistemas complejos y abre la puerta a las vibraciones moleculares activas por infrarrojos, normalmente inaccesibles a escala de molécula única. Pero MIRVAL podría resultar beneficioso en muchos otros campos, más allá de la pura investigación científica.
Chikkaraddy avanza que “MIRVAL podría tener diversos usos, como la detección de gases en tiempo real, el diagnóstico médico, los estudios astronómicos y la comunicación cuántica, ya que ahora podemos ver la huella vibratoria de moléculas individuales a frecuencias MIR”.
“La capacidad de detectar la MIR a temperatura ambiente facilita enormemente la exploración de estas aplicaciones y la investigación en este campo –asegura–. Con nuevos avances, este novedoso método no sólo podría encontrar su camino en dispositivos prácticos que darán forma al futuro de las tecnologías MIR, sino también desbloquear la capacidad de manipular coherentemente la intrincada interacción de los átomos de las ‘bolas con muelles’ en los sistemas cuánticos moleculares”.
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