En una cooperación internacional con socios de la industria y la investigación, físicos de la Universidad de Viena, junto con Thorlabs, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), y la Universidad de Kansas, ahora han logrado por primera vez demostrar espejos láser de alto rendimiento en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio relevante para la detección que absorben menos de diez de un millón de fotones. Fabricado en un nuevo proceso basado en materiales cristalinos, estos espejos de baja pérdida prometen abrir áreas de aplicación completamente nuevas, por ejemplo, en el análisis óptico de gases respiratorios para la detección precoz del cáncer o la detección de gases de efecto invernadero. Este trabajo se publicará en el número actual de la revista. Optica .

En 2016, los investigadores del interferómetro láser LIGO lograron la primera observación directa de ondas gravitacionales, que originalmente había sido predicha por Albert Einstein en 1916. Una contribución significativa a la observación de esta propagación ondulatoria de perturbaciones en el espacio-tiempo, que fue galardonado con el Premio Nobel un año después, fue proporcionado por los espejos láser del conjunto de interferómetro de un kilómetro de largo. La optimización de estos espejos para pérdidas de absorción óptica extremadamente bajas fue un avance clave en la realización de la sensibilidad necesaria para realizar tales mediciones. "Los espejos de baja pérdida son una tecnología clave para muchos campos de investigación diferentes, "explica Oliver H. Heckl, jefe del Laboratorio Christian Doppler para espectroscopia de infrarrojos medios y óptica de semiconductores, "Son el vínculo para campos de investigación tan diversos como el diagnóstico de cáncer y la detección de ondas gravitacionales".

De hecho, las propiedades de espejo comparables también son avances tecnológicos prometedores para aplicaciones mucho más prácticas. Esto incluye, entre otras cosas, espectroscopia molecular sensible, es decir, la detección de las cantidades más pequeñas de sustancias en mezclas de gases, un foco de investigación del Laboratorio Christian Doppler (CDL). Se pueden encontrar ejemplos en la detección precoz del cáncer mediante la detección de las concentraciones más pequeñas de moléculas marcadoras en el aliento de los pacientes, o en la detección precisa de fugas de metano en sistemas de producción de gas natural a gran escala para limitar la contribución de dichos gases de efecto invernadero al cambio climático.

A diferencia de los experimentos de LIGO, sin embargo, tales investigaciones se llevan a cabo mucho más fuera del espectro de luz visible, en el rango del infrarrojo medio. En esta región de longitud de onda, también conocida como "región de huellas dactilares, "muchas moléculas estructuralmente similares se distinguen claramente sobre la base de sus líneas de absorción características. Por lo tanto, es un deseo de larga data de la comunidad fotónica, para lograr niveles de pérdida igualmente bajos en este rango de longitud de onda técnicamente desafiante.

Esto es exactamente lo que el equipo dirigido por Oliver H. Heckl ha logrado ahora en una cooperación internacional. En este caso, baja pérdida significa que el nuevo tipo de espejo absorbe menos de 10 de un millón de fotones. A modo de comparación:un espejo de baño disponible comercialmente "destruye" alrededor de diez mil veces más fotones, e incluso los espejos utilizados en las mejores investigaciones tienen pérdidas de diez a cien veces más altas.

Esta drástica mejora fue posible gracias al uso de una tecnología de recubrimiento óptico completamente nueva:Primero, Las pilas monocristalinas de materiales semiconductores de alta pureza se depositan mediante un proceso de crecimiento epitaxial. Estas multicapas monocristalinas se transfieren luego a través de un proceso de unión patentado sobre sustratos ópticos de silicio curvados, completando los espejos que se probaron tanto en el CDL como en el NIST. Esta tecnología única de "recubrimiento cristalino" fue desarrollada y llevada a cabo por el socio industrial del Laboratorio Christian Doppler, Soluciones cristalinas de Thorlabs. Esta empresa fue fundada originalmente con el nombre de Crystalline Mirror Solutions (CMS) en 2013 como una escisión de la Universidad de Viena por Garrett Cole y Markus Aspelmeyer. Thorlabs Inc. adquirió CMS en diciembre de 2019. Esta colaboración de la industria fue posible, con el apoyo del Ministerio Federal de Asuntos Digitales y Económicos, a través del modelo internacionalmente único de la Christian Doppler Research Association (CDG) para promover la investigación básica orientada a aplicaciones. Un grupo de investigación dirigido por Adam Fleisher del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Maryland (Estados Unidos), que es conocido por sus mediciones de precisión, también jugó un papel clave en este éxito. Georg Winkler, El coautor del estudio actual expresa su entusiasmo:"La tecnología de medición precisa es mucho más que una simple pedantería. Dondequiera que pueda observar más de cerca en un orden de magnitud, Sueles descubrir fenómenos completamente nuevos, ¡Piense en la invención del microscopio y el telescopio! "

De hecho, esta evaluación ya ha demostrado ser cierta en la caracterización detallada de los nuevos espejos en sí, cuando un efecto previamente desconocido de la absorción dependiente de la polarización fue descubierto en las capas de semiconductores y teóricamente explorado por el colaborador Prof. Hartwin Peelaers de la Universidad de Kansas. "Estos resultados abren grandes oportunidades para un mayor refinamiento de estos espejos", El coautor Lukas Perner está encantado:"Gracias a las pérdidas extremadamente bajas, ahora podemos optimizar aún más el ancho de banda y la reflectividad".

Teniendo esto en cuenta, los socios del proyecto ya están trabajando en una mejora adicional de la tecnología:la expansión del ancho de banda óptico de los espejos permitirá que se utilicen de manera eficiente con los llamados peines de frecuencia óptica. Esto permitirá el análisis de mezclas de gases particularmente complejas con una precisión sin precedentes.