Vår förståelse av världen bygger i hög grad på vår kunskap om dess beståndsdelar och deras interaktioner. De senaste framstegen inom materialvetenskaplig teknologi har ökat vår förmåga att identifiera kemiska ämnen och utökat möjliga tillämpningar.
En sådan teknik är infraröd spektroskopi, som används för molekylär identifiering inom olika områden, till exempel inom medicin, miljöövervakning och industriell produktion. Men även det bästa befintliga verktyget - Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) - använder ett värmeelement som sin ljuskälla. Resulterande detektorbrus i det infraröda området begränsar enheternas känslighet, medan fysiska egenskaper hindrar miniatyrisering.
Nu har en forskargrupp ledd av Kyoto University tagit itu med detta problem genom att införliva en kvantljuskälla. Deras innovativa ultrabredbandiga, kvanttrasslade källa genererar ett relativt bredare spektrum av infraröda fotoner med våglängder mellan 2 μm och 5 μm. Forskningen är publicerad i tidskriften Optica .
"Denna prestation sätter scenen för att dramatiskt minska systemet och uppgradera känsligheten för infraröd spektrometer", säger Shigeki Takeuchi vid Institutionen för elektronikvetenskap och teknik.
En annan elefant i rummet med FTIR är bördan av att transportera mastodontstor, kraftkrävande utrustning till olika platser för att testa material på plats. Takeuchi ser en framtid där hans teams kompakta, högpresterande, batteridrivna skannrar kommer att leda till lättanvända applikationer inom olika områden som miljöövervakning, medicin och säkerhet.
"Vi kan erhålla spektra för olika målprover, inklusive hårda fasta ämnen, plaster och organiska lösningar. Shimadzu Corporation - vår partner som utvecklade kvantljusanordningen - har instämt att bredbandsmätspektra var mycket övertygande för att särskilja ämnen för ett brett spektrum av prover", tillägger Takeuchi.
Även om kvanttrasslat ljus inte är nytt, har bandbredden hittills begränsats till ett smalt område på 1 μm eller mindre i det infraröda området. Den här nya tekniken använder samtidigt de unika egenskaperna hos kvantmekaniken – såsom överlagring och intrassling – för att övervinna begränsningarna hos konventionella tekniker.
Teamets oberoende utvecklade kvitterade kvasi-fasmatchande enhet genererar kvanttrasslat ljus genom att utnyttja chirping – gradvis ändra ett elements polarisationsomkastningsperiod – för att generera kvantfotonpar över en bred bandbredd.
"Att förbättra känsligheten för kvantinfraröd spektroskopi och utveckla kvantavbildning i det infraröda området är en del av vår strävan att utveckla verklig kvantteknologi", säger Takeuchi.
Mer information: Toshiyuki Tashima et al, ultrabredbandskvantuminfraröd spektroskopi, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.504450
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av Kyoto University
