РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Люди как змеи. Учёные создали технологию, переводящую инфракрасное излучение в видимый диапазон

Человек не способен видеть инфракрасное излучение невооружённым глазом. Но некоторые живые организмы на Земле способны и на такое — например, змеи прекрасно видят в инфракрасном диапазоне. Вот и исследователи придумали, как позволить людям увидеть невидимое — для этого они предлагают преобразовать его в видимый свет, который легко обнаружить невооружённым глазом.
Люди как змеи. Учёные создали технологию, переводящую инфракрасное излучение в видимый диапазон
Unsplash

Благодаря этой технологии будет возможно видеть в инфракрасном диапазоне, как это делают тепловизоры.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Свет — это электромагнитная волна: в ней совершают колебания электромагнитные поля, распространяющиеся в пространстве. Энергия излучения (в том числе цвет) определяется частотой — числом колебаний электромагнитной волны в секунду. Наши глаза могут различать частоту от 400 до 750 триллионов колебаний в секунду (триллионов герц или терагерц — ТГц). Этот интервал частот определяет видимый спектр. Световые датчики в камерах мобильных телефонов могут обнаруживать частоты до 300 ТГц, а датчики, используемые для подключения к Интернету через оптическое волокно, чувствительны к частоте около 200 ТГц.

На более низких частотах энергии, переносимой светом, недостаточно для срабатывания фоторецепторов в наших глазах, как и во многих других датчиках. Это — проблема, учитывая, что в среднем и дальнем инфракрасном спектре лежит довольно много интересной информации. Например, тело с температурой 20°C излучает в инфракрасном диапазоне до 10 ТГц, и его можно «увидеть» с помощью тепловизора.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Кроме того, многие химические и биологические вещества имеют четкие полосы поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, что означает, что мы можем обнаружить их удалённо и неразрушающе с помощью инфракрасной спектроскопии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Просто так инфракрасный свет не виден — для его различения приходится использовать специализированные детекторы, охлажденные до очень низких температур, что является дорогостоящим и энергоемким процессом.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Однако учёные нашли экстраординарное решение — они создали один слой молекул для поглощения среднего инфракрасного света. Вибрирующие молекулы могут отдавать свою энергию падающему излучению в видимом диапазоне, «преобразуя» его в излучение ближе к синему концу спектра, а значит, сдвигая частоту в видимый диапазон. Такое излучение уже можно зафиксировать камерами.

Преобразование частоты — задача не из легких. Частота света является фундаментальной характеристикой, которую невозможно изменить простыми действиями наподобие отражения света — всё из-за закона сохранения энергии. В теории идея учёных работала, но исследователи столкнулись с проблемой — требовалось обеспечить достаточно быструю встречу вибрирующих молекул с видимым светом.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Они произвели небольшие улучшения — молекулы поместили между металлическими наноструктурами, которые подействовали как оптические антенны, концентрируя инфракрасный свет и излучение на молекулах.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Другая группа учёных пошла ещё дальше и использовала лазерный луч более высокой частоты на тех же молекулах.

Возможная реализация технологии — такая линза из метаматериалов.
Возможная реализация технологии — такая линза из метаматериалов. NanoPhotonics Cambridge/Ermanno Miele, Jeremy Baumberg
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как же изменяется частота? Дело в том, что частицы света (фотоны) несут энергию hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота излучения фотона. При столкновении фотона с молекулой между ними произойдёт обмен энергией, при этом молекула может как приобрести, так и потерять часть своей энергии. Энергия молекулы также может измениться не на любую величину — величина ΔE строго определена правилами квантования и соответствует разности энергий двух разрешенных её состояний.

Лазер для таких целей очень удобен — он выдаёт узкий пучок излучения примерно одной частоты (что возможно, но не обязательно). В процессе работы происходит так называемая накачка — атомы в активной среде возбуждаются и образуется инверсная населенность (возбужденных атомов оказывается больше, чем невозбуждённых). Генерация происходит за счёт спонтанного излучения, усиленного резонатором, который окружает активную среду лазера. Так как вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем любой другой близко расположенной, излучение получается монохроматическим — фотоны нужной частоты будут преобладать над другими. 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Процесс преобразования является когерентным — вся информация, присутствующая в исходном инфракрасном свете, точно переносится на вновь созданный видимый свет. Это позволяет проводить инфракрасную спектроскопию с высоким разрешением с помощью стандартных детекторов, таких как те, что используются в камерах мобильных телефонов.

Длина и ширина каждого устройства составляет несколько микрометров, что позволяет включать их в большие массивы пикселей. Наконец, метод достаточно универсален и может быть адаптирован к различным частотам, просто выбирая молекулы с различными колебательными модами.

Исследователи подчеркивают, что, несмотря на недоработанность технологии, существует множество способов оптимизировать работу таких недорогих молекулярных детекторов. Они помогут в самых разных областях науки и техники — от астрономических наблюдений галактических структур до гормонального анализа человека и ранней диагностики рака, а также определения загрязняющих веществ в смесях.

Материал подготовлен на основе исследований в журнале Science:

Wen Chen et al, Continuous-Wave Frequency Upconversion with a Molecular Optomechanical Nanocavity, опубликовано в 2021;

Angelos Xomalis et al, Detecting mid-infrared light by molecular frequency upconversion in dual-wavelength nanoantennas, опубликовано в 2021.

Загрузка статьи...