Crean un dispositivo molecular que convierte infrarrojos en luz visible

Un equipo internacional de científicos ha desarrollado un nuevo dispositivo capaz de transformar la luz infrarroja en luz visible mediante un dispositivo que puede extender la "vista" de los detectores de luz visible comúnmente disponibles en nuestra aparatos tecnológicos y altamente sensibles solo hasta el infrarrojo. 

En sendos trabajos publicados este jueves en la revista Science, el primero liderado por científicos de la Universidad de Cambridge y el segundo por investigadores de la Escuela Politécnica de Lausana (EPFL), con colaboración en ambos casos del Instituto de Tecnología de Wuhan y la Universidad Politécnica de Valencia, los autores anuncian un avance que puede abrir el camino a nuevas formas de bajo costo para detectar contaminantes, rastrear cánceres, verificar mezclas de gases y realizar observaciones astronómicas.

La estrategia se ha basado en generar una sola capa de moléculas para absorber la luz del infrarrojo medio dentro de sus enlaces químicos vibratorios. Estas moléculas en movimiento pueden donar su energía a la luz visible que encuentran, "convirtiéndola" en emisiones más cercanas al extremo azul del espectro, que luego pueden ser detectadas por las cámaras modernas de luz visible.

Cuestión de frecuencias

La luz es una onda electromagnética: consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan por el espacio. Cada onda se caracteriza por su frecuencia, que se refiere al número de oscilaciones por segundo, medido en Hertz (Hz). Nuestros ojos pueden detectar frecuencias entre 400 y 750 billones de Hz (o terahercios, THz), que definen el espectro visible. Los sensores de luz en las cámaras de los teléfonos móviles pueden detectar frecuencias de hasta 300 THz, mientras que los detectores utilizados para las conexiones a Internet a través de fibras ópticas son sensibles a alrededor de 200 THz.

A frecuencias más bajas, la energía transportada por la luz no es suficiente para activar fotorreceptores en nuestros ojos y en muchos otros sensores, lo cual es un problema dado que existe una gran cantidad de información disponible en frecuencias por debajo de 100 THz, el espectro del infrarrojo medio y lejano. Por ejemplo, un cuerpo con una temperatura superficial de 20 ° C emite luz infrarroja de hasta 10 THz, que se puede "ver" con imágenes térmicas. Además, las sustancias químicas y biológicas presentan distintas bandas de absorción en el infrarrojo medio, lo que significa que podemos identificarlas de forma remota y no destructiva mediante espectroscopía infrarroja, que tiene innumerables aplicaciones.

Convirtiendo infrarrojos en luz visible

La conversión de frecuencia no es una tarea fácil. La frecuencia de la luz es un elemento fundamental que no puede cambiar fácilmente al reflejar la luz en una superficie o pasarla a través de un material debido a la ley de conservación de energía. "Lo que hacemos es intentar capturar luz en el infrarrojo lejano, donde es difícil detectar luz porque tiene poca energía, y lo que queremos hacer es cambiar su frecuencia y llevarla al visible donde hay detectores muy buenos", explica a Vozpópuli Alejandro Martínez, investigador de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) y coautor de ambos trabajos.

Para hacer este cambio de frecuencia lo que usan son las vibraciones de las moléculas, que necesitan "encapsular" en un espacio tan pequeño como un nanómetro, algo que logran con dos estrategias distintas: mediante surcos en partículas (Lausanne) o en un disco de oro (Cambridge). "Cualquier molécula vibra mecánicamente a unas frecuencias, por el mero hecho de tener energía", explica Martínez. "Elegimos una molécula particular que tiene una vibración en torno a 30 THz, y la metemos entre una nanopartícula de oro y un espejo".

"Una vez aquí", continúa, "la luz del infrarrojo se acopla de la vibración de la molécula, la pone a vibrar más fuerte, e iluminamos con láser en luz en el visible, que a su vez es modulada por la vibración de la molécula. Y de este modo siente la vibración, cambia y podemos detectar esos cambios del infrarrojo en el visible".

"La versión final la forma de un simple chip como los que tenemos en microelectrónica

Aunque ahora suene muy complejo, explica el investigador, toda esta nanotecnología de la prueba de concepto tendrá en la versión final la forma de un simple chip como los que tenemos en microelectrónica. "La idea es meter muchos detectores de este tipo, diseñados para detectar una cierta frecuencia", detalla. "Cuando llegue la radiación que queremos capturar, se podrá detectar el infrarrojo en el visible, con sistemas como los que usamos ahora con las cámaras CCD".

Dispositivos de la bajo coste

"El nuevo dispositivo tiene una serie de características atractivas", dice el profesor Christophe Galland de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL, quien dirigió uno de los dos estudios. “Primero, el proceso de conversión es coherente, lo que significa que toda la información presente en la luz infrarroja original se asigna fielmente a la luz visible recién creada. Permite realizar espectroscopía infrarroja de alta resolución con detectores estándar como los que se encuentran en las cámaras de los teléfonos móviles”. 

“En segundo lugar”, prosigue, “cada dispositivo tiene unos pocos micrómetros de largo y ancho, lo que significa que puede incorporarse en grandes conjuntos de píxeles. Finalmente, el método es muy versátil y se puede adaptar a diferentes frecuencias simplemente eligiendo moléculas con diferentes modos vibracionales”.

"Hasta ahora, sin embargo, la eficiencia de conversión de luz del dispositivo sigue siendo muy baja", advierte Wen Chen, coautor del mismo trabajo. “Ahora estamos centrando nuestros esfuerzos en seguir mejorando”, un paso clave hacia las aplicaciones comerciales.

Referencias: Detecting mid-infrared light by molecular frequency upconversion with dual-wavelength hybrid nanoantennas (Science) http://dx.doi.org/10.1126/science.abk2593 |Continuous-Wave Frequency Upconversion with a Molecular Optomechanical Nanocavity (Science)DOI: 10.1126/science.abk3106