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Os pesquisadores desenvolveram um método, MIRVAL, para converter fótons do infravermelho médio em fótons visíveis à temperatura ambiente, permitindo a espectroscopia de molécula única e tendo amplas aplicações em detecção de gases, diagnósticos médicos, astronomia e comunicação quântica.
As descobertas derivadas do quantum podem simplificar significativamente a detecção da luz infravermelha média em temperatura ambiente.
Pesquisadores da Universidade de Birmingham e da Universidade de Cambridge revelaram uma técnica inovadora que permite a detecção de luz infravermelha média (MIR) à temperatura ambiente através do uso de sistemas quânticos.
Publicado em Fotônica da Naturezao estudo foi realizado no Laboratório Cavendish de Cambridge e representa um grande avanço na capacidade dos cientistas de obter informações sobre o funcionamento de moléculas químicas e biológicas.
No novo método usando sistemas quânticos, a equipe converteu fótons MIR de baixa energia em fótons visíveis de alta energia usando emissores moleculares. A nova inovação tem a capacidade de ajudar os cientistas a detectar MIR e realizar espectroscopia em nível de molécula única, à temperatura ambiente.
Dr. Rohit Chikkaraddy, professor assistente do Universidade de Birmingham, e o autor principal do estudo explicou: “As ligações que mantêm a distância entre os átomos nas moléculas podem vibrar como molas, e essas vibrações ressoam em frequências muito altas. Essas fontes podem ser excitadas pela luz da região do infravermelho médio, que é invisível ao olho humano. À temperatura ambiente, estas molas estão em movimento aleatório, o que significa que um grande desafio na detecção da luz infravermelha média é evitar este ruído térmico. Os detectores modernos dependem de dispositivos semicondutores resfriados que consomem muita energia e são volumosos, mas nossa pesquisa apresenta uma maneira nova e interessante de detectar essa luz em temperatura ambiente.”
A nova abordagem é chamada de Luminescência Assistida por Vibração MIR (MIRVAL) e usa moléculas que têm a capacidade de ser tanto MIR quanto luz visível. A equipe conseguiu montar os emissores moleculares em uma cavidade plasmônica muito pequena que ressonava tanto na faixa MIR quanto na faixa visível. Eles ainda o projetaram para que os estados vibracionais moleculares e os estados eletrônicos pudessem interagir, resultando em uma transdução eficiente da luz MIR em luminescência visível aprimorada.
Chikkaraddy continuou: “O aspecto mais desafiador foi reunir três escalas de comprimento amplamente diferentes – o comprimento de onda visível que é de centenas de nanômetros, as vibrações moleculares que são menores que um nanômetro e os comprimentos de onda do infravermelho médio que são de dez mil nanômetros – em uma única plataforma e combiná-los de forma eficaz.”
Através da criação de picocavidades, cavidades incrivelmente pequenas que retêm a luz e são formadas porátomo defeitos nas facetas metálicas, os pesquisadores conseguiram atingir um volume extremo de confinamento de luz abaixo de um nanômetro cúbico. Isto significava que a equipe poderia confinar a luz MIR até a escala de uma única molécula.
Esta descoberta tem a capacidade de aprofundar a compreensão de sistemas complexos e abre a porta para vibrações moleculares ativas no infravermelho, que normalmente são inacessíveis no nível de molécula única. Mas o MIRVAL pode revelar-se benéfico em vários campos, para além da pura investigação científica.
Chikkaraddy concluiu: “O MIRVAL poderia ter vários usos, como detecção de gás em tempo real, diagnóstico médico, pesquisas astronômicas e comunicação quântica, já que agora podemos ver a impressão digital vibracional de moléculas individuais nas frequências MIR. A capacidade de detectar MIR à temperatura ambiente significa que é muito mais fácil explorar estas aplicações e conduzir mais pesquisas neste campo. Através de novos avanços, este novo método poderá não apenas encontrar o seu caminho em dispositivos práticos que moldarão o futuro das tecnologias MIR, mas também desbloquear a capacidade de manipular de forma coerente a intrincada interação de átomos de 'bolas com molas' em sistemas quânticos moleculares.
Referência: “Espectroscopia de infravermelho médio de molécula única e detecção por meio de luminescência assistida vibracionalmente” por Rohit Chikkaraddy, Rakesh Arul, Lukas A. Jakob e Jeremy J. Baumberg, 28 de agosto de 2023, Fotônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41566-023-01263-4