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Cientistas da Universidade de Birmingham e da Universidade de Cambridge desenvolveram um novo método para detectar luz infravermelha média (MIR) à temperatura ambiente usando sistemas quânticos.
A pesquisa, publicada hoje (28 de agosto) em Fotônica da Natureza, foi conduzido no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge e marca um avanço significativo na capacidade dos cientistas de obter informações sobre o funcionamento de moléculas químicas e biológicas.
No novo método usando sistemas quânticos, a equipe converteu fótons MIR de baixa energia em fótons visíveis de alta energia usando emissores moleculares. A nova inovação tem a capacidade de ajudar os cientistas a detectar MIR e realizar espectroscopia em nível de molécula única, à temperatura ambiente.
Dr. Rohit Chikkaraddy, professor assistente da Universidade de Birmingham e principal autor do estudo explicou:”As ligações que mantêm a distância entre os átomos nas moléculas podem vibrar como molas, e essas vibrações ressoam em frequências muito altas. Essas molas podem ser excitadas pela luz da região do infravermelho médio, que é invisível ao olho humano. À temperatura ambiente, essas molas estão em movimento aleatório, o que significa que um grande desafio na detecção da luz do infravermelho médio é evitar esse ruído térmico. Os detectores modernos dependem de dispositivos semicondutores resfriados que consomem muita energia e são volumosos, mas nossa pesquisa apresenta uma maneira nova e emocionante de detectar essa luz em temperatura ambiente.”
A nova abordagem é chamada de Luminescência Assistida por Vibração MIR (MIRVAL) e usa moléculas que têm a capacidade de ser tanto MIR quanto luz visível. A equipe conseguiu montar os emissores moleculares em uma cavidade plasmônica muito pequena que ressonava tanto na faixa MIR quanto na faixa visível. Eles ainda o projetaram para que os estados vibracionais moleculares e os estados eletrônicos pudessem interagir, resultando em uma transdução eficiente da luz MIR em luminescência visível aprimorada.
Dr Chikkaraddy continuou: “O aspecto mais desafiador foi reunir três escalas de comprimento amplamente diferentes – o comprimento de onda visível que é de centenas de nanômetros, as vibrações moleculares que são menores que um nanômetro e os comprimentos de onda do infravermelho médio que são de dez mil nanômetros – – em uma única plataforma e combiná-los de forma eficaz.”
Através da criação de picocavidades, cavidades incrivelmente pequenas que retêm a luz e são formadas por defeitos de um único átomo nas facetas metálicas, os pesquisadores conseguiram atingir um volume extremo de confinamento de luz abaixo de um nanômetro cúbico. Isto significava que a equipe poderia confinar a luz MIR até a escala de uma única molécula.
Esta descoberta tem a capacidade de aprofundar a compreensão de sistemas complexos e abre a porta para vibrações moleculares ativas no infravermelho, que normalmente são inacessíveis no nível de molécula única. Mas o MIRVAL pode revelar-se benéfico em vários campos, para além da investigação científica pura.
Dr Chikkaraddy concluiu: “MIRVAL poderia ter vários usos, como detecção de gás em tempo real, diagnóstico médico, pesquisas astronômicas e comunicação quântica, já que agora podemos ver a impressão digital vibracional de moléculas individuais em frequências MIR. A capacidade de detectar MIR em temperatura ambiente significa que é muito mais fácil explorar essas aplicações e realizar mais pesquisas neste campo. Através de mais avanços, este novo método poderá não apenas encontrar o seu caminho em dispositivos práticos que moldarão o futuro das tecnologias MIR, mas também desbloquear o capacidade de manipular coerentemente a intrincada interação de átomos de ‘bolas com molas’ em sistemas quânticos moleculares.”
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