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Une technique quantique rend la lumière infrarouge visible à température ambiante
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Les chercheurs ont développé une méthode, MIRVAL, pour convertir les photons de l’infrarouge moyen en photons visibles à température ambiante, permettant ainsi la spectroscopie d’une seule molécule et ayant de nombreuses applications dans la détection des gaz, le diagnostic médical, l’astronomie et la communication quantique. Les résultats d’origine quantique pourraient simplifier considérablement la détection de la lumière infrarouge moyenne à température ambiante.
Des chercheurs de l’Université de Birmingham et de l’Université de Cambridge ont dévoilé une technique révolutionnaire qui permet de détecter la lumière infrarouge moyen (MIR) à température ambiante grâce à l’utilisation de systèmes quantiques. Ces travaux ont été réalisés au laboratoire Cavendish de Cambridge et représentent une avancée majeure dans la capacité des scientifiques à mieux comprendre le fonctionnement des molécules chimiques et biologiques. Dans la nouvelle méthode utilisant des systèmes quantiques, l’équipe a converti des photons MIR de faible énergie en photons visibles de haute énergie à l’aide d’émetteurs moléculaires. La nouvelle innovation a la capacité d’aider les scientifiques à détecter le MIR et à effectuer une spectroscopie au niveau d’une seule molécule, à température ambiante.
Le Dr Rohit Chikkaraddy, professeur adjoint à l’Université de Birmingham, et auteur principal de l’étude, a expliqué : « Les liaisons qui maintiennent la distance entre les atomes dans les molécules peuvent vibrer comme des ressorts, et ces vibrations résonnent à des fréquences très élevées. Ces sources peuvent être excitées par la lumière de la région infrarouge moyen, invisible à l’œil humain. À température ambiante, ces ressorts se déplacent de manière aléatoire, ce qui signifie qu’un défi majeur dans la détection de la lumière infrarouge moyenne consiste à éviter ce bruit thermique. Les détecteurs modernes reposent sur des dispositifs à semi-conducteurs refroidis, gourmands en énergie et encombrants, mais nos recherches présentent une nouvelle manière passionnante de détecter cette lumière à température ambiante.
La nouvelle approche s’appelle MIR Vibrationally-Assisted Luminescence (MIRVAL) et utilise des molécules qui ont la capacité d’être à la fois MIR et lumière visible. L’équipe a pu assembler les émetteurs moléculaires dans une très petite cavité plasmonique qui résonnait à la fois dans le domaine MIR et dans le visible. Ils l’ont ensuite conçu de manière à ce que les états vibrationnels moléculaires et les états électroniques puissent interagir, ce qui entraîne une transduction efficace de la lumière MIR en une luminescence visible améliorée.
Le Dr Chikkaraddy a poursuivi : « L’aspect le plus difficile a été de rassembler trois échelles de longueur très différentes – la longueur d’onde visible qui est de plusieurs centaines de nanomètres, les vibrations moléculaires qui sont inférieures à un nanomètre et les longueurs d’onde de l’infrarouge moyen qui sont de dix mille nanomètres en une seule plateforme et les combiner efficacement ». Grâce à la création de picocavités, des cavités incroyablement petites qui piègent la lumière et sont formées par des particules uniques, les chercheurs ont pu atteindre un volume de confinement de la lumière extrême inférieur à un nanomètre cube. Cela signifiait que l’équipe pouvait confiner la lumière MIR jusqu’à l’échelle d’une seule molécule.
Cette percée a la capacité d’approfondir la compréhension de systèmes complexes et ouvre la porte aux vibrations moléculaires actives dans l’infrarouge, qui sont généralement inaccessibles au niveau d’une seule molécule. Mais MIRVAL pourrait s’avérer bénéfique dans de nombreux domaines, au-delà de la recherche scientifique pure.
Le Dr Chikkaraddy a conclu : « MIRVAL pourrait avoir un certain nombre d’utilisations telles que la détection de gaz en temps réel, les diagnostics médicaux, les études astronomiques et la communication quantique, car nous pouvons désormais voir l’empreinte vibratoire de molécules individuelles aux fréquences MIR. La capacité de détecter le MIR à température ambiante signifie qu’il est d’autant plus facile d’explorer ces applications et de mener des recherches plus approfondies dans ce domaine. Grâce à d’autres progrès, cette nouvelle méthode pourrait non seulement trouver sa place dans des dispositifs pratiques qui façonneront l’avenir des technologies MIR, mais également débloquer la capacité de manipuler de manière cohérente l’interaction complexe des atomes "boules avec ressorts" dans les systèmes quantiques moléculaires.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
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