Nuestra comprensión del mundo depende en gran medida de nuestro conocimiento de los materiales que lo constituyen y sus interacciones. Los avances recientes en las tecnologías de la ciencia de los materiales han aumentado nuestra capacidad para identificar sustancias químicas y han ampliado sus posibles aplicaciones.
Una de esas tecnologías es la espectroscopia infrarroja, utilizada para la identificación molecular en diversos campos, como la medicina, la vigilancia medioambiental y la producción industrial. Sin embargo, incluso la mejor herramienta existente, el espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), utiliza un elemento calefactor como fuente de luz. El ruido resultante del detector en la región infrarroja limita la sensibilidad de los dispositivos, mientras que las propiedades físicas dificultan la miniaturización.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Kioto ha abordado este problema incorporando una fuente de luz cuántica. Su innovadora fuente entrelazada cuántica de banda ultraancha genera una gama relativamente más amplia de fotones infrarrojos con longitudes de onda entre 2 μm y 5 μm. La investigación se publica en la revista Optica .
"Este logro sienta las bases para reducir drásticamente el tamaño del sistema y mejorar la sensibilidad del espectrómetro de infrarrojos", afirma Shigeki Takeuchi del Departamento de Ciencia e Ingeniería Electrónica.
Otro elefante en la sala con los FTIR es la carga de transportar equipos de tamaño gigantesco y que consumen mucha energía a varios lugares para probar materiales en el sitio. Takeuchi ve un futuro en el que los escáneres compactos, de alto rendimiento y que funcionan con baterías de su equipo conducirán a aplicaciones fáciles de usar en diversos campos, como el monitoreo ambiental, la medicina y la seguridad.
"Podemos obtener espectros para varias muestras objetivo, incluidos sólidos duros, plásticos y soluciones orgánicas. Shimadzu Corporation, nuestro socio que desarrolló el dispositivo de luz cuántica, coincidió en que los espectros de medición de banda ancha fueron muy convincentes para distinguir sustancias para una amplia gama de muestras", añade Takeuchi.
Aunque la luz entrelazada cuántica no es nueva, el ancho de banda hasta ahora se ha limitado a un rango estrecho de 1 μm o menos en la región infrarroja. Mientras tanto, esta nueva técnica utiliza las propiedades únicas de la mecánica cuántica, como la superposición y el entrelazamiento, para superar las limitaciones de las técnicas convencionales.
El dispositivo de coincidencia de cuasifases con chirrido desarrollado independientemente por el equipo genera luz entrelazada cuántica aprovechando el chirrido (cambiando gradualmente el período de inversión de polarización de un elemento) para generar pares de fotones cuánticos en un amplio ancho de banda.
"Mejorar la sensibilidad de la espectroscopía infrarroja cuántica y desarrollar imágenes cuánticas en la región infrarroja son parte de nuestra búsqueda para desarrollar tecnologías cuánticas del mundo real", dice Takeuchi.
Más información: Toshiyuki Tashima et al, Espectroscopia infrarroja cuántica de banda ultraancha, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.504450
Información de la revista: Óptica
Proporcionado por la Universidad de Kyoto
