Свет — это электромагнитная волна: он состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей, распространяющихся в пространстве. Каждая волна характеризуется своей частотой, которая относится к числу колебаний в секунду, измеряемому в герцах (Гц). Наши глаза могут обнаруживать частоты от 400 до 750 триллионов Гц (или терагерц, ТГц), которые определяют видимый спектр. Световые датчики в камерах сотовых телефонов могут обнаруживать частоты до 300 ТГц, в то время как детекторы, используемые для подключения к Интернету через оптоволокно, чувствительны к частоте около 200 ТГц.
На более низких частотах энергии, переносимой светом, недостаточно, чтобы активировать фоторецепторы в наших глазах и во многих других сенсорах, что является проблемой, учитывая, что на частотах ниже 100 ТГц, в среднем и дальнем инфракрасном спектре, имеется богатая информация. . Например, тело с температурой поверхности 20°C излучает инфракрасный свет до 10 ТГц, который можно "увидеть" с помощью тепловидения. Кроме того, химические и биологические вещества имеют четкие полосы поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, а это означает, что мы можем идентифицировать их дистанционно и неразрушающим образом с помощью инфракрасной спектроскопии, которая имеет множество применений.
Ученые из EPFL, Уханьского технологического института, Политехнического университета Валенсии и AMOLF в Нидерландах разработали новый способ обнаружения инфракрасного света путем изменения его частоты на частоту видимого света. Устройство может расширить «зрение» общедоступных и высокочувствительных детекторов видимого света далеко в инфракрасный диапазон. Статья об открытии была опубликована в журнале Science.
Преобразование частоты — непростая задача. Частота света является фундаментальной величиной, которую нельзя легко изменить, отражая свет от поверхности или пропуская его через материал из-за закона сохранения энергии.
Исследователи работали над этим, добавляя энергию к инфракрасному свету с посредником: крошечными вибрирующими молекулами. Инфракрасный свет направляется на молекулы, где он преобразуется в колебательную энергию. Одновременно лазерный луч более высокой частоты воздействует на те же молекулы, чтобы обеспечить дополнительную энергию и преобразовать вибрацию в видимый свет. Чтобы ускорить процесс преобразования, молекулы помещаются между металлическими наноструктурами, которые действуют как оптические антенны, концентрируя инфракрасный свет и лазерную энергию на молекулах.
По словам ученых новое устройство имеет ряд привлекательных особенностей. Во-первых, процесс преобразования является последовательным, а это означает, что вся информация, присутствующая в исходном инфракрасном свете, точно отображается во вновь созданном видимом свете. Это позволяет проводить инфракрасную спектроскопию высокого разрешения со стандартными детекторами, такими как те, что используются в камерах мобильных телефонов. Во-вторых, каждое устройство имеет длину и ширину около нескольких микрометров, что означает, что его можно включать в большие массивы пикселей. Наконец, этот метод очень универсален и может быть адаптирован к разным частотам, просто выбирая молекулы с разными режимами колебаний.
Однако пока эффективность преобразования света устройством все еще очень низка. Команда концентрирует свои усилия на его дальнейшем улучшении — ключевой шаг к коммерческому применению.
