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| Vista artística de las cavidades plasmónicas con nanopartículas en las ranuras. Las moléculas cubren la película de oro y se intercalan entre la ranura y la nanopartícula de 150 nm de tamaño. La señal infrarroja de interés procede de la parte inferior del sustrato, mientras que el láser de bombeo que proporciona energía para la conversión ascendente procede de la parte superior. La cavidad enfoca ambas señales sobre las moléculas e interactúa con sus vibraciones internas para generar una copia de la señal infrarroja convertida en frecuencias visibles (punto brillante). Crédito: Nicolas Antille |
Científicos de la EPFL, el Instituto Tecnológico de Wuhan, la Universidad Politécnica de Valencia y AMOLF, en los Países Bajos, han desarrollado una nueva forma de detectar la luz infrarroja cambiando su frecuencia por la de la luz visible. El dispositivo puede ampliar la "vista" de los detectores habituales y altamente sensibles para la luz visible hasta el infrarrojo. El avance se publica en Science.
La conversión de frecuencia no es una tarea fácil. La frecuencia de la luz es un elemento fundamental que no puede modificarse fácilmente reflejando la luz en una superficie o haciéndola pasar por un material debido a la ley de conservación de la energía.
Los investigadores lo evitaron añadiendo energía a la luz infrarroja con un mediador: Pequeñas moléculas que vibran. La luz infrarroja se dirige a las moléculas, donde se convierte en energía vibratoria. Simultáneamente, un rayo láser de mayor frecuencia incide en las mismas moléculas para aportar la energía extra y convertir la vibración en luz visible. Para potenciar el proceso de conversión, las moléculas se intercalan entre nanoestructuras metálicas que actúan como antenas ópticas al concentrar la luz infrarroja y la energía láser en las moléculas.
Una nueva luz
"El nuevo dispositivo tiene una serie de características atractivas", afirma el profesor Christophe Galland de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL, que dirigió el estudio. "En primer lugar, el proceso de conversión es coherente, lo que significa que toda la información presente en la luz infrarroja original se traslada fielmente a la luz visible recién creada. Esto permite realizar espectroscopia infrarroja de alta resolución con detectores estándar como los de las cámaras de los teléfonos móviles. En segundo lugar, cada dispositivo tiene unos pocos micrómetros de longitud y anchura, lo que significa que puede incorporarse a grandes matrices de píxeles. Por último, el método es muy versátil y puede adaptarse a diferentes frecuencias simplemente eligiendo moléculas con diferentes modos de vibración."
"Hasta ahora, sin embargo, la eficiencia de conversión de luz del dispositivo es todavía muy baja", advierte el doctor Wen Chen, primer autor del trabajo. "Ahora estamos centrando nuestros esfuerzos en seguir mejorándola". Este es un paso clave hacia las aplicaciones comerciales.
Fuentes, créditos y referencias:
Wen Chen et al, Continuous-Wave Frequency Upconversion with a Molecular Optomechanical Nanocavity, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abk3106