Visão artística das cavidades plasmônicas de nanopartículas em sulcos. As moléculas cobrem o filme de ouro e são imprensadas entre o sulco e a nanopartícula grande de 150 nm. O sinal infravermelho de interesse vem de baixo do substrato, enquanto a bomba de laser que fornece energia para a conversão ascendente vem de cima. Ambos são focados pela cavidade nas moléculas e interagem com suas vibrações internas para gerar uma cópia convertida do sinal infravermelho em frequências visíveis (ponto brilhante). Crédito: Nicolas Antille

A luz é uma onda eletromagnética: consiste em campos elétricos e magnéticos oscilantes que se propagam pelo espaço. Cada onda é caracterizada por sua frequência, que se refere ao número de oscilações por segundo, medida em Hertz (Hz). Nossos olhos podem detectar frequências entre 400 e 750 trilhões de Hz (ou terahertz, THz), que definem o espectro visível. Sensores de luz em câmeras de telefones celulares podem detectar frequências de até 300 THz, enquanto detectores usados para conexões de internet por meio de fibras ópticas são sensíveis a cerca de 200 THz.

Em frequências mais baixas, a energia transportada pela luz não é suficiente para acionar fotorreceptores em nossos olhos e em muitos outros sensores, o que é um problema, visto que há informações ricas disponíveis em frequências abaixo de 100 THz, o espectro infravermelho médio e distante . Por exemplo, um corpo com temperatura de superfície de 20°C emite luz infravermelha de até 10 THz, que pode ser “vista” com imagens térmicas. Além disso, substâncias químicas e biológicas apresentam bandas de absorção distintas no infravermelho médio, o que significa que podemos identificá-las remotamente e de forma não destrutiva por espectroscopia de infravermelho, que tem uma infinidade de aplicações.

Transformando infravermelho em luz visível

Cientistas da EPFL, do Instituto de Tecnologia de Wuhan, da Universidade Politécnica de Valência e do AMOLF na Holanda, desenvolveram agora uma nova maneira de detectar luz infravermelha, alterando sua frequência para a da luz visível. O dispositivo pode estender a “visão” de detectores comumente disponíveis e altamente sensíveis para luz visível até o infravermelho. A descoberta foi publicada na Science.

A conversão de frequência não é uma tarefa fácil. A frequência da luz é um elemento fundamental que não pode ser alterado facilmente refletindo a luz em uma superfície ou passando-a através de um material por causa da lei da conservação de energia.

Os pesquisadores contornaram isso adicionando energia à luz infravermelha com um mediador: moléculas vibrantes minúsculas. A luz infravermelha é direcionada às moléculas, onde é convertida em energia vibracional. Simultaneamente, um feixe de laser de frequência mais alta incide nas mesmas moléculas para fornecer a energia extra e converter a vibração em luz visível. Para impulsionar o processo de conversão, as moléculas são ensanduichadas entre nanoestruturas metálicas que atuam como antenas ópticas, concentrando a luz infravermelha e a energia do laser nas moléculas.

Uma nova luz

“O novo dispositivo tem uma série de recursos atraentes”, disse o professor Christophe Galland da Escola de Ciências Básicas da EPFL, que liderou o estudo. “Em primeiro lugar, o processo de conversão é coerente, o que significa que todas as informações presentes na luz infravermelha original são fielmente mapeadas na luz visível recém-criada. Isso permite que a espectroscopia infravermelha de alta resolução seja realizada com detectores padrão, como os encontrados em câmeras de telefones celulares . Em segundo lugar, cada dispositivo tem cerca de alguns micrômetros de comprimento e largura, o que significa que pode ser incorporado em grandes matrizes de pixels. Finalmente, o método é altamente versátil e pode ser adaptado a diferentes frequências simplesmente escolhendo moléculas com diferentes modos vibracionais.”

“Até agora, no entanto, a eficiência de conversão de luz do dispositivo ainda é muito baixa”, avisa o Dr. Wen Chen, primeiro autor do trabalho. “Agora estamos concentrando nossos esforços em melhorá-lo ainda mais.” Este é um passo importante em direção às aplicações comerciais.

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