Sci - nature wiki

جهاز جزيئي يحول الأشعة تحت الحمراء غير المرئية إلى ضوء مرئي

0
تحويل Plasmonic

منظر فني للتجاويف البلازمية النانوية في الأخدود. تغطي الجزيئات غشاء الذهب وتقع بين الأخدود والجسيمات النانوية الكبيرة التي يبلغ قطرها 150 نانومتر. تأتي إشارة الأشعة تحت الحمراء ذات الأهمية من أسفل الركيزة بينما يأتي ليزر المضخة الذي يوفر الطاقة للتحويل من الأعلى. يتم تركيز كلاهما من خلال التجويف على الجزيئات ، ويتفاعلان مع اهتزازاتهما الداخلية لتوليد نسخة محولة من إشارة الأشعة تحت الحمراء عند الترددات المرئية (نقطة مضيئة). الائتمان: نيكولاس أنتيل (http://www.nicolasantille.com)

قام باحثون في EPFL والصين وإسبانيا وهولندا ببناء جهاز دقيق يستخدم جزيئات تهتز لتحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي إلى ضوء مرئي. يبشر هذا الاختراق بفئة جديدة من أجهزة الاستشعار المدمجة للتصوير الحراري والتحليل الكيميائي أو البيولوجي.

الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية: تتكون من مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة تنتشر عبر الفضاء. تتميز كل موجة بترددها ، والذي يشير إلى عدد التذبذبات في الثانية ، مقاسة بالهرتز (هرتز). يمكن لأعيننا اكتشاف الترددات بين 400 و 750 تريليون هرتز (أو التيراهيرتز ، THz) ، والتي تحدد الطيف المرئي. يمكن لأجهزة استشعار الضوء في كاميرات الهواتف المحمولة اكتشاف الترددات التي تصل إلى 300 THz ، بينما الكاشفات المستخدمة لاتصالات الإنترنت عبر الألياف الضوئية حساسة لحوالي 200 THz.

عند الترددات المنخفضة ، لا تكفي الطاقة المنقولة بواسطة الضوء لتحفيز مستقبلات الضوء في أعيننا وفي العديد من المستشعرات الأخرى ، وهي مشكلة نظرًا لوجود معلومات غنية متاحة عند ترددات أقل من 100 تيراهيرتز ، طيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والبعيدة . على سبيل المثال ، يصدر جسم بدرجة حرارة سطحه 20 درجة مئوية ضوء الأشعة تحت الحمراء حتى 10 THz ، والتي يمكن “رؤيتها” بالتصوير الحراري. أيضًا ، تتميز المواد الكيميائية والبيولوجية بنطاقات امتصاص مميزة في منتصف الأشعة تحت الحمراء ، مما يعني أنه يمكننا التعرف عليها عن بُعد وغير مدمر عن طريق التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء ، والذي يحتوي على عدد لا يحصى من التطبيقات.

تحويل الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي

طور العلماء في EPFL ، معهد ووهان للتكنولوجيا ، جامعة فالنسيا بوليتكنيك ، و AMOLF في هولندا ، طريقة جديدة للكشف عن الأشعة تحت الحمراء من خلال تغيير ترددها إلى تردد الضوء المرئي. يمكن للجهاز تمديد “رؤية” أجهزة الكشف الشائعة والحساسة للغاية للضوء المرئي بعيدًا عن الأشعة تحت الحمراء. تم نشر الاختراق في علم.

تحويل التردد ليس بالمهمة السهلة. يعد تواتر الضوء أمرًا أساسيًا لا يمكن تغييره بسهولة عن طريق عكس الضوء على سطح ما أو تمريره عبر مادة بسبب قانون الحفاظ على الطاقة.

عمل الباحثون حول هذا عن طريق إضافة طاقة إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء بواسطة وسيط: جزيئات تهتز صغيرة. يتم توجيه ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى الجزيئات حيث يتم تحويلها إلى طاقة اهتزازية. في الوقت نفسه ، يؤثر شعاع ليزر بتردد أعلى على نفس الجزيئات لتوفير طاقة إضافية وتحويل الاهتزاز إلى ضوء مرئي. لتعزيز عملية التحويل ، يتم وضع الجزيئات بين الهياكل النانوية المعدنية التي تعمل كهوائيات ضوئية من خلال تركيز ضوء الأشعة تحت الحمراء وطاقة الليزر على الجزيئات.

جهاز جزيئي يحول الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي

أعلى اليسار: مفهوم التجربة. تركز إشارة الأشعة تحت الحمراء ذات الأهمية ومضخة الليزر التي توفر الطاقة على الجزيئات وتتفاعل مع اهتزازاتها الداخلية لتوليد نسخة محولة من إشارة الأشعة تحت الحمراء عند الترددات المرئية. أسفل اليسار: مسح صورة مجهرية إلكترونية للعينة. الجزيئات أصغر بكثير من أن يمكن تمييزها. وهي محصورة بين أخدود ذهبي وجسيمات نانوية من الذهب ، والتي تشكل معًا تجويفًا plasmonic الذي يعزز بشكل كبير تركيز جميع الإشارات على الجزيئات. إلى اليمين: منظر فني للجسيمات النانوية في التجويف البلازموني الذي يحول إشارات الأشعة تحت الحمراء غير المرئية إلى ضوء مرئي (نقطة مضيئة). الائتمان: نيكولاس أنتيل (http://www.nicolasantille.com) ، وين تشين ، كريستوف جالاند

ضوء جديد

يقول البروفيسور كريستوف جالاند من كلية العلوم الأساسية في EPFL ، الذي قاد الدراسة: “يتميز الجهاز الجديد بعدد من الميزات الجذابة”. “أولاً ، عملية التحويل متماسكة ، مما يعني أن جميع المعلومات الموجودة في ضوء الأشعة تحت الحمراء الأصلي يتم تعيينها بأمانة على الضوء المرئي الذي تم إنشاؤه حديثًا. يسمح بإجراء التحليل الطيفي عالي الدقة بالأشعة تحت الحمراء باستخدام أجهزة الكشف القياسية مثل تلك الموجودة في كاميرات الهواتف المحمولة. ثانيًا ، يبلغ طول كل جهاز وعرضه بضعة ميكرومتر ، مما يعني أنه يمكن دمجه في مصفوفات بكسل كبيرة. أخيرًا ، الطريقة متعددة الاستخدامات ويمكن تكييفها مع ترددات مختلفة عن طريق اختيار جزيئات ذات أوضاع اهتزازية مختلفة. “

“حتى الآن ، ومع ذلك ، لا تزال كفاءة تحويل الضوء للجهاز منخفضة للغاية ،” يحذر الدكتور وين تشين ، المؤلف الأول للعمل. “نحن نركز جهودنا الآن على تحسينها بشكل أكبر” – وهي خطوة أساسية نحو التطبيقات التجارية.

المرجعي

المرجع: “تحويل تردد الموجة المستمر مع التجويف النانوي الميكانيكي الجزيئي” بقلم وين تشين ، فيليب رويللي ، هواتيان هو ، ساشين فيرليكار ، ساكثي بريا أميرثاراج ، أنجيلا آي باريدا ، توبياس ج. كريستوف جالاند ، 2 ديسمبر 2021 ، علم.
DOI: 10.1126 / science.abk3106

المساهمون الآخرون

  • جامعة فريدريش شيلر جينا

التمويل

  • أفق الاتحاد الأوروبي 2020
  • المؤسسة السويسرية الوطنية للعلوم (FNS)
  • المنظمة الهولندية للبحث العلمي (NWO)
  • مؤسسة الكسندر فون همبولت

Leave A Reply

Your email address will not be published.