(Phys.org) —Un equipo de ingenieros de la Universidad de Pensilvania ha utilizado un patrón de nanoantenas para desarrollar una nueva forma de convertir la luz infrarroja en acción mecánica, abriendo la puerta a cámaras infrarrojas más sensibles y técnicas de análisis químico más compactas.

La investigación fue realizada por el profesor asistente Ertugrul Cubukcu y el investigador postdoctoral Fei Yi, junto con los estudiantes de posgrado Hai Zhu y Jason C. Reed, todo el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn.

Fue publicado en la revista Nano letras .

La detección de luz en el rango del infrarrojo medio es importante para aplicaciones como cámaras de visión nocturna, pero también se puede utilizar para hacer espectroscopia, técnica que consiste en esparcir luz sobre una sustancia para inferir su composición química. Los detectores de infrarrojos existentes utilizan semiconductores refrigerados criogénicamente, o detectores térmicos conocidos como microbolómetros, en el que los cambios en la resistencia eléctrica pueden correlacionarse con las temperaturas. Estas técnicas tienen sus propias ventajas, pero ambos necesitan caro, equipos voluminosos para que sean lo suficientemente sensibles para aplicaciones de espectroscopia.

"Nos propusimos hacer un detector infrarrojo térmico optomecánico, "Dijo Cubukcu." En lugar de cambios en la resistencia, nuestro detector funciona conectando el movimiento mecánico con los cambios de temperatura ".

La ventaja de este enfoque es que podría reducir la huella de un dispositivo de detección de infrarrojos a algo que cabría en un chip de silicio desechable. Los investigadores fabricaron tal dispositivo en su estudio.

En el núcleo del dispositivo hay una estructura a nanoescala, aproximadamente una décima de milímetro de ancho y cinco veces más larga, hecha de una capa de oro adherida a una capa de nitruro de silicio. Los investigadores eligieron estos materiales debido a sus diferentes coeficientes de expansión térmica, un parámetro que determina cuánto se expandirá un material cuando se calienta. Debido a que los metales convertirán naturalmente algo de energía de la luz infrarroja en calor, los investigadores pueden conectar la cantidad de material que se expande con la cantidad de luz infrarroja que lo golpea.

"Una sola capa se expandiría lateralmente, pero nuestras dos capas están limitadas porque están unidas entre sí, "Dijo Cubukcu." La única forma en que pueden expandirse es en la tercera dimensión. En este caso, eso significa inclinarse hacia el lado dorado, ya que el oro tiene el coeficiente de expansión térmica más alto y se expandirá más ".

Para medir este movimiento, los investigadores utilizaron un interferómetro de fibra. Un cable de fibra óptica apuntando hacia arriba en este sistema hace rebotar la luz en la parte inferior de la capa de nitruro de silicio, permitiendo a los investigadores determinar hasta qué punto la estructura se ha doblado hacia arriba.

"Podemos decir qué tan lejos se ha movido la capa inferior en función de esta luz reflejada, "Dijo Cubukcu." Incluso podemos ver desplazamientos que son miles de veces más pequeños que un átomo de hidrógeno ".

Otros investigadores han desarrollado sensores infrarrojos optomecánicos basados ​​en este principio, pero su sensibilidad ha sido comparativamente baja. El dispositivo del equipo de Penn es una mejora en este sentido debido a la inclusión de nanoantenas de "ranura", cavidades que están grabadas en la capa de oro a intervalos que corresponden a las longitudes de onda de la luz del infrarrojo medio.

"La radiación infrarroja se concentra en las ranuras, por lo que no necesita ningún material adicional para hacer estas antenas, "Dijo Cubukcu." Tomamos exactamente la misma plataforma y, modelándolo con estas antenas a nanoescala, la eficiencia de conversión del detector mejora 10 veces ".

La inclusión de nanoantenas proporciona al dispositivo una ventaja adicional:la capacidad de adaptar a qué tipo de luz es sensible grabando un patrón diferente de ranuras en la superficie.

"Otras técnicas solo pueden funcionar con la máxima absorción determinada por el propio material, "Yi dijo." Nuestras antenas pueden diseñarse para absorber en cualquier longitud de onda ".

Si bien solo es una prueba de concepto en esta etapa, La investigación futura demostrará las capacidades del dispositivo como una forma económica de analizar proteínas individuales y moléculas de gas.