bởi Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Quang cảnh nghệ thuật của các hốc plasmonic có hạt nano trong rãnh. Các phân tử bao phủ màng vàng và được kẹp giữa rãnh và hạt nano lớn 150 nm. Tín hiệu hồng ngoại quan tâm đến từ bên dưới chất nền trong khi tia laser bơm cung cấp năng lượng cho quá trình đảo ngược đến từ phía trên. Cả hai đều được khoang tập trung vào các phân tử và tương tác với các dao động bên trong của chúng để tạo ra một bản sao đảo ngược của tín hiệu hồng ngoại ở các tần số nhìn thấy được (điểm sáng). Tín dụng: Nicolas Antille

Ánh sáng là sóng điện từ: Bao gồm dao động điện trường và từ trường lan truyền trong không gian. Mỗi sóng được đặc trưng bởi tần số của nó, dùng để chỉ số lượng dao động trong một giây, được đo bằng Hertz (Hz). Đôi mắt của chúng ta có thể phát hiện các tần số từ 400 đến 750 nghìn tỷ Hz (hoặc terahertz, THz), xác định phổ khả kiến. Cảm biến ánh sáng trong camera điện thoại di động có thể phát hiện tần số xuống đến 300 THz, trong khi bộ dò được sử dụng cho kết nối internet thông qua sợi quang có độ nhạy khoảng 200 THz.

Ở tần số thấp hơn, năng lượng do ánh sáng vận chuyển không đủ để kích hoạt các thụ thể quang trong mắt chúng ta và trong nhiều cảm biến khác, đó là một vấn đề do có nhiều thông tin có sẵn ở tần số dưới 100 THz, phổ hồng ngoại trung và xa. Ví dụ, một vật thể có nhiệt độ bề mặt 20°C phát ra ánh sáng hồng ngoại lên đến 10 THz, có thể "nhìn thấy" bằng hình ảnh nhiệt. Ngoài ra, các chất hóa học và sinh học có các dải hấp thụ riêng biệt trong vùng hồng ngoại, có nghĩa là chúng ta có thể xác định chúng từ xa và không bị phá hủy bằng quang phổ hồng ngoại, có vô số ứng dụng.

Biến tia hồng ngoại thành ánh sáng khả kiến

Các nhà khoa học tại EPFL, Viện Công nghệ Vũ Hán, Đại học Bách khoa Valencia và AMOLF ở Hà Lan, hiện đã phát triển một phương pháp mới để phát hiện ánh sáng hồng ngoại bằng cách thay đổi tần số của nó thành tần số của ánh sáng nhìn thấy. Thiết bị có thể mở rộng "tầm nhìn" của các máy dò thường có sẵn và có độ nhạy cao đối với ánh sáng nhìn thấy ở xa vùng hồng ngoại. Bước đột phá được công bố trên tạp chí Science .

Chuyển đổi tần số không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Tần số ánh sáng là tần số cơ bản không thể thay đổi dễ dàng bằng cách phản xạ ánh sáng trên bề mặt hoặc truyền qua vật liệu vì định luật bảo toàn năng lượng.

Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách bổ sung năng lượng cho ánh sáng hồng ngoại với một chất trung gian: Các phân tử rung động nhỏ. Ánh sáng hồng ngoại được hướng đến các phân tử nơi nó được chuyển đổi thành năng lượng dao động. Đồng thời, một chùm tia laze có tần số cao hơn tác động vào các phân tử giống nhau để cung cấp năng lượng bổ sung và chuyển dao động thành ánh sáng khả kiến. Để thúc đẩy quá trình chuyển đổi, các phân tử được kẹp giữa các cấu trúc nano kim loại hoạt động như ăng-ten quang học bằng cách tập trung ánh sáng hồng ngoại và năng lượng laser vào các phân tử.

Một ánh sáng mới

Giáo sư Christophe Galland tại Trường Khoa học Cơ bản của EPFL, người đứng đầu cuộc nghiên cứu cho biết: “Thiết bị mới có một số tính năng hấp dẫn. Đầu tiên, quá trình chuyển đổi diễn ra chặt chẽ, có nghĩa là tất cả thông tin hiện diện trong ánh sáng hồng ngoại ban đầu được ánh xạ trung thực vào ánh sáng nhìn thấy mới được tạo ra. Nó cho phép thực hiện quang phổ hồng ngoại có độ phân giải cao với các máy dò tiêu chuẩn như trong máy ảnh điện thoại di động . Thứ hai, mỗi thiết bị có chiều dài và chiều rộng khoảng vài micromet, có nghĩa là nó có thể được kết hợp thành các mảng pixel lớn. Cuối cùng, phương pháp này rất linh hoạt và có thể điều chỉnh với các tần số khác nhau bằng cách chỉ cần chọn các phân tử có chế độ rung khác nhau."

Tiến sĩ Wen Chen, tác giả đầu tiên của công trình cảnh báo: “Cho đến nay, hiệu suất chuyển đổi ánh sáng của thiết bị vẫn còn rất thấp. Chúng tôi hiện đang tập trung nỗ lực để cải thiện nó hơn nữa." Đây là một bước quan trọng đối với các ứng dụng thương mại.