06.12.2021 - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Un dispositivo molecular convierte los infrarrojos en luz visible

El avance marca el comienzo de una nueva clase de sensores compactos para la obtención de imágenes térmicas y el análisis químico o biológico

La luz es una onda electromagnética: consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan por el espacio. Cada onda se caracteriza por su frecuencia, que se refiere al número de oscilaciones por segundo, medido en hercios (Hz). Nuestros ojos pueden detectar frecuencias entre 400 y 750 billones de Hz (o terahercios, THz), que definen el espectro visible. Los sensores de luz de las cámaras de los teléfonos móviles pueden detectar frecuencias de hasta 300 THz, mientras que los detectores utilizados para las conexiones a Internet a través de fibras ópticas son sensibles a unos 200 THz.

A frecuencias más bajas, la energía transportada por la luz no es suficiente para activar los fotorreceptores de nuestros ojos y de muchos otros sensores, lo que supone un problema, ya que hay mucha información disponible en frecuencias inferiores a 100 THz, el espectro del infrarrojo medio y lejano. Por ejemplo, un cuerpo con una temperatura superficial de 20 °C emite luz infrarroja de hasta 10 THz, que puede "verse" con imágenes térmicas. Además, las sustancias químicas y biológicas presentan distintas bandas de absorción en el infrarrojo medio, lo que significa que podemos identificarlas a distancia y de forma no destructiva mediante la espectroscopia de infrarrojos, que tiene infinidad de aplicaciones.

Convertir el infrarrojo en luz visible

Científicos de la EPFL, el Instituto Tecnológico de Wuhan, la Universidad Politécnica de Valencia y AMOLF (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 mejorarla aún más", un paso clave hacia las aplicaciones comerciales.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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