EPFL-fysiker föreslår en ny väg för att upptäcka infraröd strålning med enastående känslighet, möjliggör detektering av signaler så låga som för ett enda ljuskvantum.

När du använder vår webbkamera eller mobiltelefonkamera, vi upplever den enorma kapaciteten hos billiga och kompakta sensorer som utvecklats under de senaste decennierna för det synliga området av det elektromagnetiska spektrumet. Tvärtom, detektering av lågfrekvent strålning som inte är synlig för det mänskliga ögat (som medel- och fjärrinfraröd strålning) kräver komplex och kostsam utrustning. Avsaknad av en kompakt teknologi hindrar utbredd tillgång till sensorer för igenkänning av molekyler och avbildning av termisk strålning som naturligt emitteras av våra kroppar. Ett nytt konceptuellt genombrott på detta område kan därför få enorma effekter i vårt dagliga liv.

Den mest populära tekniken som för närvarande finns tillgänglig för att upptäcka medel- och fjärrinfraröd strålning består av bolometrar, som är uppbyggda av uppsättningar av små termometrar som mäter värmen som produceras av absorption av strålning. De har många begränsningar, i synnerhet är långsamma att svara och oförmögen att upptäcka svaga nivåer av strålning.

Det nya tillvägagångssättet som föreslagits av EPFL-teamet under ledning av Christophe Galland och Tobias Kippenberg följer en helt annan väg:omvandla först den osynliga strålningen till synligt ljus, och sedan upptäcka det med befintlig teknik. Kärnan i det nya konceptet ligger hybridmetall-molekyl nanostrukturer. Metallen är skräddarsydd för att fokusera infraröd strålning på molekylerna, som därigenom bringas i vibration. Nästa, energin i de vibrerande molekylerna omvandlas igen till strålning, men den här gången med en mycket högre frekvens, i den synliga domänen. Hybrid nanostrukturen, designad i samarbete med Diego Martin-Cano (Max-Planck Institute for Light, Erlangen, Tyskland), möjliggör hög konverteringseffektivitet samtidigt som enhetens storlek reduceras till dimensioner som är betydligt mindre än våglängden för det infraröda ljuset.

Philippe Roelli, huvudförfattare på studien, framhåller att, bland de olika konceptuella framstegen som föreställs av deras system, den mest spännande aspekten rör dess potentiella känslighet:"Den låga brusnivån som molekylär vibration lägger till under omvandlingsprocessen möjliggör detektering av extremt svaga signaler vid rumstemperatur. Med avancerade enheter, vi räknar med att nå kvantbegränsad omvandling och har den unika möjligheten att lösa signalen för enstaka kvanta av infrarött ljus."

EPFL-studien kommer att inspirera framtida arbeten i gränssnittet mellan ytvetenskap, nanoteknik och kvantoptik för att främja utvecklingen av nya enheter med applikationer för infraröd avkänning och avbildning.