Ons begrip van de wereld is sterk afhankelijk van onze kennis van de materialen waaruit deze bestaat en hun interacties. Recente ontwikkelingen op het gebied van materiaalwetenschap hebben ons vermogen om chemische stoffen te identificeren vergroot en de mogelijke toepassingen uitgebreid.

Eén van die technologieën is infraroodspectroscopie, die wordt gebruikt voor moleculaire identificatie op verschillende gebieden, zoals in de geneeskunde, milieumonitoring en industriële productie. Maar zelfs het beste bestaande instrument – ​​de Fourier-transformatie-infraroodspectrometer (FTIR) – gebruikt een verwarmingselement als lichtbron. De resulterende detectorruis in het infraroodgebied beperkt de gevoeligheid van de apparaten, terwijl fysieke eigenschappen miniaturisatie belemmeren.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Kyoto dit probleem aangepakt door een kwantumlichtbron te integreren. Hun innovatieve ultrabreedbandige, kwantumverstrengelde bron genereert een relatief groter bereik aan infraroodfotonen met golflengten tussen 2 μm en 5 μm. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Optica .

"Deze prestatie vormt de basis voor een drastische inkrimping van het systeem en een verbetering van de gevoeligheid van de infraroodspectrometer", zegt Shigeki Takeuchi van het Department of Electronic Science and Engineering.

Een andere olifant in de kamer met FTIR's is de last van het transporteren van gigantische, energievretende apparatuur naar verschillende locaties om materialen ter plaatse te testen. Takeuchi ziet een toekomst tegemoet waarin de compacte, krachtige, op batterijen werkende scanners van zijn team zullen leiden tot eenvoudig te gebruiken toepassingen op verschillende gebieden, zoals milieumonitoring, geneeskunde en beveiliging.

"We kunnen spectra verkrijgen voor verschillende doelmonsters, waaronder harde vaste stoffen, kunststoffen en organische oplossingen. Shimadzu Corporation – onze partner die het kwantumlichtapparaat heeft ontwikkeld – is het ermee eens dat de breedbandmeetspectra zeer overtuigend waren voor het onderscheiden van stoffen voor een breed scala aan monsters", voegt Takeuchi toe.

Hoewel kwantumverstrengeld licht niet nieuw is, is de bandbreedte tot nu toe beperkt tot een smal bereik van 1 μm of minder in het infraroodgebied. Deze nieuwe techniek maakt gebruik van de unieke eigenschappen van de kwantummechanica, zoals superpositie en verstrengeling, om de beperkingen van conventionele technieken te overwinnen.

Het onafhankelijk ontwikkelde quasi-phase-matching-apparaat van het team genereert kwantumverstrengeld licht door gebruik te maken van getjilp – waarbij geleidelijk de omkeerperiode van de polarisatie van een element wordt gewijzigd – om kwantumfotonparen over een grote bandbreedte te genereren.

"Het verbeteren van de gevoeligheid van kwantum-infraroodspectroscopie en het ontwikkelen van kwantumbeeldvorming in het infraroodgebied maken deel uit van onze zoektocht om echte kwantumtechnologieën te ontwikkelen", zegt Takeuchi.

Meer informatie: Toshiyuki Tashima et al, Ultrabreedband kwantum-infraroodspectroscopie, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.504450

Journaalinformatie: Optica

Aangeboden door de Universiteit van Kyoto