EPFL-natuurkundigen stellen een nieuw pad voor om infraroodstraling met een uitstekende gevoeligheid te detecteren, waardoor detectie van signalen zo laag als die van een enkel lichtkwantum mogelijk is.

Bij gebruik van onze webcam of mobiele telefooncamera, we ervaren de enorme mogelijkheden van goedkope en compacte sensoren die in de afgelopen decennia zijn ontwikkeld voor het zichtbare gebied van het elektromagnetische spectrum. Integendeel, detectie van laagfrequente straling die niet zichtbaar is voor het menselijk oog (zoals midden- en ver-infraroodstraling) vereist complexe en kostbare apparatuur. Het ontbreken van een compacte technologie belemmert de wijdverbreide toegang tot sensoren voor de herkenning van moleculen en de beeldvorming van thermische straling die van nature door ons lichaam wordt uitgezonden. Een nieuwe conceptuele doorbraak op dit gebied kan daarom enorme gevolgen hebben in ons dagelijks leven.

De meest populaire techniek die momenteel beschikbaar is om midden- en ver-infraroodstraling te detecteren, bestaat uit bolometers, die zijn samengesteld uit reeksen kleine thermometers die de warmte meten die wordt geproduceerd door absorptie van straling. Ze hebben veel beperkingen, in het bijzonder traag reagerend en niet in staat zwakke stralingsniveaus te detecteren.

De nieuwe benadering voorgesteld door het EPFL-team onder leiding van Christophe Galland en Tobias Kippenberg volgt een heel andere route:eerst de onzichtbare straling omzetten in zichtbaar licht, en vervolgens detecteren met bestaande technologieën. De kern van het nieuwe concept zijn hybride metaal-molecuul nanostructuren. Het metaal is op maat gemaakt om infraroodstraling op de moleculen te concentreren, die daardoor in trilling worden gebracht. Volgende, de energie van de trillende moleculen wordt weer omgezet in straling, maar deze keer op een veel hogere frequentie, in het zichtbare domein. De hybride nanostructuur, ontworpen in samenwerking met Diego Martin-Cano (Max-Planck Institute for Light, Erlangen, Duitsland), zorgt voor een hoge conversie-efficiëntie terwijl de grootte van het apparaat wordt verkleind tot afmetingen die aanzienlijk kleiner zijn dan de golflengte van het infraroodlicht.

Philippe Roelli, hoofdauteur van het onderzoek, benadrukt dat, tussen de verschillende conceptuele vooruitgang die door hun schema wordt beoogd, het meest intrigerende aspect betreft de potentiële gevoeligheid:"Het lage ruisniveau dat wordt toegevoegd door de moleculaire trillingen tijdens het conversieproces maakt de detectie van extreem zwakke signalen bij kamertemperatuur mogelijk. Met geavanceerde apparaten, we verwachten een kwantumbeperkte conversie te bereiken en hebben de unieke kans om het signaal van enkele quanta infraroodlicht op te lossen."

De EPFL-studie zal toekomstige werken inspireren op het raakvlak tussen oppervlaktewetenschap, nanotechnologie en kwantumoptica om de ontwikkeling van nieuwe apparaten met toepassingen in infrarooddetectie en beeldvorming te bevorderen.