Un equipo internacional de investigadores de Austria, Estados Unidos y Suiza ha creado los primeros superespejos en el rango del infrarrojo medio. Estos espejos son una tecnología clave para muchas aplicaciones, como la espectroscopia óptica de gases de efecto invernadero o los láseres industriales para corte y soldadura. Los resultados se publicaron recientemente en Nature Communications. .

En el campo de los espejos de alto rendimiento, todo el mundo persigue lo imposible:revestimientos con una reflectividad perfecta. En el rango de longitud de onda visible (longitudes de onda entre 380 nm y 700 nm), los espejos metálicos avanzados alcanzan una reflectividad de hasta el 99%, lo que significa que se pierde un fotón por cada 99 fotones reflejados. Puede parecer mucho, pero en el rango del infrarrojo cercano (entre aproximadamente 780 nm y 2,5 μm), los revestimientos de espejos especializados ya han alcanzado una reflectividad del 99,9997 %. Esto significa que de 1 millón de fotones reflejados, sólo tres se pierden.

Desde hace mucho tiempo existe el deseo de extender esta tecnología de superespejos al infrarrojo medio (longitudes de onda de 2,5 µm a 10 µm y más). Esto permitiría avances significativos en muchas áreas, por ejemplo, en la medición de gases traza relacionados con el cambio climático, pero también en el análisis de biocombustibles. Además, se podrían mejorar muchas aplicaciones industriales y médicas, como los láseres de corte y los bisturíes láser. Sin embargo, hasta ahora, los mejores espejos de infrarrojo medio pierden uno de cada 10.000 fotones, aproximadamente 33 veces más que los superespejos de infrarrojo cercano.

En el estudio publicado recientemente, un equipo internacional de científicos ha creado los primeros superespejos en el infrarrojo medio. Bajo el liderazgo del Laboratorio Christian Doppler de Espectroscopía de Infrarrojo Medio y Óptica de Semiconductores (CDL Mid-IR) de la Universidad de Viena y el socio industrial Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Bárbara, California), los investigadores pudieron crear espejos que solo pierde ocho de un millón de fotones. Esto significa que estos súper espejos alcanzan una reflectividad del 99,99923%. Para lograr este récord, los investigadores tuvieron que analizar y controlar con precisión los materiales, el diseño del espejo y el proceso de fabricación.

Nuevo proceso de recubrimiento desarrollado

En primer lugar, los investigadores tuvieron que desarrollar un nuevo proceso de recubrimiento. Combinaron técnicas convencionales de recubrimiento de película fina con nuevos materiales y métodos semiconductores. Esto permitió superar las limitaciones materiales en la difícil región del infrarrojo medio. Oliver H. Heckl, director del CDL Mid-IR de la Universidad de Viena, afirmó:"Este avance muestra el enorme potencial de una colaboración exitosa entre la investigación básica innovadora y el desarrollo de productos orientados a las necesidades".

Garrett Cole, director de tecnología de Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), explica:"Este trabajo se basa en nuestro trabajo pionero en recubrimientos cristalinos transferidos por sustrato".

Sin embargo, la fabricación era sólo una parte del desafío. Los científicos también tuvieron que medir los espejos con precisión para comprobar su rendimiento sin lugar a dudas. Esa fue la tarea principal de los dos primeros autores, Gar-Wing Truong de TCS y Lukas Perner de la Universidad de Viena, quienes afirman:"Como co-inventores de esta novedosa forma de recubrimiento, fue emocionante poner estos espejos a través de sus ritmos y así confirmar su excelente rendimiento."

Una aplicación inmediata de estos novedosos superespejos es mejorar significativamente la sensibilidad de los dispositivos ópticos para el análisis de gases en el infrarrojo medio. Estos dispositivos pueden detectar y cuantificar con precisión pequeñas cantidades de importantes marcadores ambientales, como el monóxido de carbono.

Para demostrar estas posibilidades, el equipo trajo expertos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Confirmaron la ventaja decisiva de la espectroscopia ultrasensible en el rango espectral del IR medio, incluida la medición de radioisótopos que son importantes para la ciencia forense nuclear y la datación por carbono.

Más información: Gar-Wing Truong et al, Superespejos de infrarrojo medio con una delicadeza superior a 400.000, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43367-z

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Viena