Physiker schlagen eine neue Methode zur Erkennung von Infrarotstrahlung vor
Kürzlich haben Physiker der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) eine neue Methode zur Erkennung von Infrarotstrahlung vorgeschlagen, die hochempfindlich ist und sogar einzelne Photonensignale erkennen kann. Eine nanoskalige Lösung, die auf einer molekularen optomechanischen Plattform basiert, um Terahertz- und Mittelinfrarot-Photonen (MIR) in das sichtbare Nahinfrarotband (VIS-NIR) hochzuwandeln und ihnen mithilfe eines vollständigen Quantenmodells Rauschen hinzuzufügen, und die Umwandlungseffizienz wurden im Detail analysiert . Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Molekulare Plattform für die Frequenzaufwärtskonvertierung auf Einzelphotonenebene“ wurde in „physics.optics“ veröffentlicht. Die Adresse des Artikels lautet: https://arxiv.org/abs/1910.11395v1.
Beim Einsatz von Webcams oder Handykameras erleben wir die Leistungsfähigkeit günstiger, kompakter Sensoren, die in den letzten Jahrzehnten für den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums entwickelt wurden. Im Gegensatz dazu erfordert die Erkennung niederfrequenter Strahlung, die für das bloße Auge unsichtbar ist, wie z. B. Strahlung im mittleren und fernen Infrarot, komplexe und teure Geräte. Sensoren zur molekularen Erkennung und Abbildung der vom menschlichen Körper natürlich abgegebenen Wärmestrahlung sind mangels kompakter Technologie noch nicht flächendeckend verfügbar. Daher könnten neue konzeptionelle Durchbrüche in diesem Bereich einen enormen Einfluss auf unser tägliches Leben haben. Die direkte Detektion einzelner Photonen mit Wellenlängen größer als 2 Mikrometer unter Umgebungsbedingungen stellt derzeit noch eine große technische Herausforderung dar.
Die derzeit beliebteste Technik zur Erfassung von Strahlung im mittleren bis fernen Infrarot ist das Mikrobolometer, das aus einer Reihe kleiner Thermometer besteht, die die durch absorbierte Strahlung erzeugte Wärme messen. Solche Detektoren haben eine Reihe von Einschränkungen, insbesondere langsame Reaktionszeiten und die Unfähigkeit, schwache Strahlungssignale zu erkennen.
Das EPFL-Team unter der Leitung von Christophe Galland und Tobias Kippenberg hat eine neue Detektionsmethode vorgeschlagen, die einen völlig anderen Weg geht: Zuerst wird die unsichtbare Strahlung in sichtbares Licht umgewandelt und dann mit bestehenden Technologien detektiert. Im Mittelpunkt dieses neuen Konzepts stehen hybride metallmolekulare Nanostrukturen. Das Metall wird so modifiziert, dass es Infrarotstrahlung auf die Moleküle fokussiert und sie so zum Schwingen bringt. Die Energie der schwingenden Moleküle wird dann wieder in Strahlung umgewandelt, diesmal jedoch als sichtbares Licht. Diese hybride Nanostruktur, die in Zusammenarbeit mit Diego Martin-Cano (Max-Planck-Institut für Licht, Erlangen, Deutschland) entwickelt wurde, erreicht hohe Umwandlungseffizienzen und schrumpft die Geräte gleichzeitig auf Größen, die deutlich kleiner als die Wellenlänge von Infrarotlicht sind.
