Moleculair apparaat zet infrarood om in zichtbaar licht

Licht is een elektromagnetische golf: het bestaat uit oscillerende elektrische en magnetische velden die zich door de ruimte voortplanten. Elke golf wordt gekenmerkt door zijn frequentie, die verwijst naar het aantal trillingen per seconde, gemeten in Hertz (Hz). Onze ogen kunnen frequenties tussen 400 en 750 biljoen Hz (of terahertz, THz) detecteren, die het zichtbare spectrum bepalen. Lichtsensoren in camera’s van mobiele telefoons kunnen frequenties tot 300 THz detecteren, terwijl detectoren die worden gebruikt voor internetverbindingen via optische vezels gevoelig zijn voor ongeveer 200 THz.

Bij lagere frequenties is de energie die door licht wordt getransporteerd niet voldoende om fotoreceptoren in onze ogen en in veel andere sensoren te activeren. Terwijl er rijke informatie beschikbaar is bij frequenties onder 100 THz, het midden- en ver-infraroodspectrum. Een lichaam met een oppervlaktetemperatuur van 20°C zendt bijvoorbeeld infrarood licht uit tot 10 THz, dat met warmtebeeldcamera’s ‘gezien’ kan worden. Chemische en biologische stoffen hebben ook verschillende absorptiebanden in het midden-infrarood, wat betekent dat we ze op afstand en niet-destructief kunnen identificeren door infraroodspectroscopie, die talloze toepassingen heeft.

De wetenschappers hebben nu een nieuwe manier ontwikkeld om infrarood licht te detecteren door de frequentie ervan te veranderen in die van zichtbaar licht. Het apparaat kan het ‘zicht’ van algemeen beschikbare en zeer gevoelige detectoren voor zichtbaar licht tot ver in het infrarood vergroten. De doorbraak is gepubliceerd in Science.

Frequentieconversie is geen gemakkelijke taak. De frequentie van licht is een fundamentele factor die niet gemakkelijk kan veranderen door licht op een oppervlak te reflecteren of door het door een materiaal te sturen vanwege de wet van behoud van energie.

De onderzoekers werkten hier omheen door energie toe te voegen aan infrarood licht met een mediator: minuscule vibrerende moleculen. Het infrarood licht wordt op de moleculen gericht waar het wordt omgezet in trillingsenergie. Tegelijkertijd valt een laserstraal met een hogere frequentie op dezelfde moleculen om de extra energie te leveren en de trilling om te zetten in zichtbaar licht. Om het conversieproces te stimuleren, worden de moleculen ingeklemd tussen metalen nanostructuren die fungeren als optische antennes door het infraroodlicht en de laserenergie op de moleculen te concentreren.

Een nieuw licht

"Het nieuwe apparaat heeft een aantal aantrekkelijke functies", zegt professor Christophe Galland van EPFL, die het onderzoek leidde. "Ten eerste is het conversieproces coherent, wat betekent dat alle informatie die in het oorspronkelijke infraroodlicht aanwezig is, getrouw in kaart wordt gebracht op het nieuw gecreëerde zichtbare licht. Hiermee kan infraroodspectroscopie met hoge resolutie worden uitgevoerd met standaarddetectoren zoals die worden aangetroffen in camera’s van mobiele telefoons. Ten tweede is elk apparaat ongeveer een paar micrometer lang en breed, wat betekent dat het kan worden opgenomen in grote pixelarrays. Ten slotte is de methode zeer veelzijdig en kan ze worden aangepast aan verschillende frequenties door simpelweg moleculen te kiezen met verschillende trillingsmodi." 

"Tot nu toe is de lichtconversie-efficiëntie van het apparaat echter nog steeds erg laag", waarschuwt eerste auteur Wen Chen. "We richten onze inspanningen nu op het verder verbeteren ervan" – een belangrijke stap in de richting van commerciële toepassing."