Il est difficile de détecter la lumière au-delà de la plage rouge visible de nos yeux, car la lumière infrarouge transporte si peu d’énergie par rapport à la chaleur ambiante à température ambiante. Cela obscurcit la lumière infrarouge à moins que les détecteurs spécialisés ne soient refroidis à des températures très basses, ce qui est à la fois coûteux et énergivore. Aujourd’hui, des chercheurs dirigés par l’Université de Cambridge ont démontré un nouveau concept de détection de la lumière infrarouge, montrant comment la convertir en lumière visible, qui est facilement détectée. Crédit : NanoPhotonics Cambridge/Ermanno Miele, Jeremy Baumberg
En piégeant la lumière dans de minuscules crevasses d’or, les chercheurs ont cajolé des molécules pour convertir l’infrarouge invisible en lumière visible, créant ainsi de nouveaux détecteurs à faible coût pour la détection.
Il est difficile de détecter la lumière au-delà de la plage rouge visible de nos yeux, car la lumière infrarouge transporte si peu d’énergie par rapport à la chaleur ambiante à température ambiante. Cela obscurcit la lumière infrarouge à moins que les détecteurs spécialisés ne soient refroidis à des températures très basses, ce qui est à la fois coûteux et énergivore.
« C’est comme écouter des vagues de tremblement de terre à ondulation lente en les heurtant avec une corde de violon pour obtenir un sifflement aigu facile à entendre et sans casser le violon. » – Jérémy Baumberg
Aujourd’hui, des chercheurs dirigés par l’Université de Cambridge ont démontré un nouveau concept de détection de la lumière infrarouge, montrant comment la convertir en lumière visible, qui est facilement détectée.
En collaboration avec des collègues du Royaume-Uni, d’Espagne et de Belgique, l’équipe a utilisé une seule couche de molécules pour absorber la lumière infrarouge moyen à l’intérieur de leurs liaisons chimiques vibrantes. Ces molécules tremblantes peuvent donner leur énergie à la lumière visible qu’elles rencontrent, la “convertissant” en émissions plus proches de l’extrémité bleue du spectre, qui peuvent ensuite être détectées par les caméras modernes à lumière visible.
Les résultats, publiés dans la revue Science, ouvrent de nouvelles façons peu coûteuses de détecter les contaminants, de suivre les cancers, de vérifier les mélanges de gaz et de détecter à distance l’univers extérieur.
Le défi auquel étaient confrontés les chercheurs était de s’assurer que les molécules tremblantes rencontrent la lumière visible assez rapidement. “Cela signifiait que nous devions piéger la lumière très étroitement autour des molécules, en la pressant dans des crevasses entourées d’or”, a déclaré le premier auteur Angelos Xomalis du laboratoire Cavendish de Cambridge.
Les chercheurs ont conçu un moyen de prendre en sandwich des couches moléculaires uniques entre un miroir et de minuscules morceaux d’or, uniquement possible avec des «méta-matériaux» capables de tordre et de comprimer la lumière en des volumes un milliard de fois plus petits qu’un cheveu humain.
« Le piégeage de ces différentes couleurs de lumière en même temps était difficile, mais nous voulions trouver un moyen qui ne coûterait pas cher et pourrait facilement produire des appareils pratiques », a déclaré le co-auteur, le Dr Rohit Chikkaraddy du laboratoire Cavendish, qui a conçu les expériences basées sur ses simulations de la lumière dans ces blocs de construction.
« C’est comme écouter des ondes de tremblement de terre à ondulation lente en les heurtant avec une corde de violon pour obtenir un sifflement aigu facile à entendre, et sans casser le violon », a déclaré le professeur Jeremy Baumberg du NanoPhotonics Center du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé le recherche.
Les chercheurs soulignent que même s’il n’en est qu’à ses débuts, il existe de nombreuses façons d’optimiser les performances de ces détecteurs moléculaires peu coûteux, qui peuvent ensuite accéder à des informations riches dans cette fenêtre du spectre.
Des observations astronomiques des structures galactiques à la détection des hormones humaines ou des premiers signes de cancers invasifs, de nombreuses technologies peuvent bénéficier de cette nouvelle avancée en matière de détecteurs.
Référence : « Détection de la lumière infrarouge moyenne par conversion ascendante de fréquence moléculaire dans des nanoantennes à double longueur d’onde » par Angelos Xomalis, Xuezhi Zheng, Rohit Chikkaraddy, Zsuzsanna Koczor-Benda, Ermanno Miele, Edina Rosta, Guy AE Vandenbosch, Alejandro Martínez et Jeremy J. Baumberg , 2 décembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abk2593
La recherche a été menée par une équipe de l’Université de Cambridge, de la KU Leuven, de l’University College London (UCL), de la Faraday Institution et de l’Universitat Politècnica de València.
La recherche est financée dans le cadre d’un investissement du UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) dans le Cambridge NanoPhotonics Centre, ainsi que le Conseil européen de la recherche (ERC), Trinity College Cambridge et KU Leuven.
Jeremy Baumberg est membre du Jesus College de Cambridge.
