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Prima infrarossi, ora luce visibile

Catturare con gli occhi la luce invisibile delle lunghezze d’onda infrarosse ora si può, grazie a nanocavità costituite da minuscole molecole vibranti in grado – con l’aiuto di un laser – di aumentare la frequenza della luce infrarossa per convertirla in luce visibile. Lo studio, guidato da scienziati dell’Epfl di Losanna, in Svizzera, è stato pubblicato ieri su Science

     03/12/2021
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Rappresentazione artistica delle cavità plasmoniche con nanoparticelle. Le molecole coprono la pellicola dorata e sono inserite tra il solco e la nanoparticella da 150 nm. Il segnale infrarosso proviene da sotto il substrato, mentre il laser a pompa che fornisce energia per l “upconversion” (la conversione a frequenze più elevate) proviene dall’alto. Entrambi i fasci sono focalizzati dalla cavità sulle molecole e interagiscono con le loro vibrazioni per generare una replica del segnale infrarosso convertito a frequenze visibili (il punto luminoso). Crediti: Nicolas Antille

Nome: luce. Definizione: onda elettromagnetica costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti che si propagano nello spazio. Caratteristiche: ogni onda è contraddistinta dalla sua frequenza. Unità di misura: Hertz (Hz). Segni particolari: visibile all’occhio umano quando ha frequenze comprese tra 400 e 750 THz (terahertz, o migliaia di miliardi di hertz), che definiscono lo spettro visibile. Concluso il breve ripasso, la domanda sorge spontanea: può la nostra vista superare il confine tra luce invisibile e luce visibile?

La risposta arriva da un team di scienziati dell’Epfl (la Scuola politecnica federale di Losanna, in Svizzera), del Wuhan Institute of Technology (Cina), del Politecnico di Valencia e dell’Amolf (Paesi Bassi) che ha messo a punto un sistema capace di rilevare la luce infrarossa e modificarne la frequenza – cioè il numero di oscillazioni al secondo – in quella della luce visibile. Lo studio è stato pubblicato ieri su Science.

Non potere vedere a frequenze più basse del rosso preclude l’accesso a informazioni interessanti. Ad esempio, un corpo con temperatura superficiale di 20 °C emette luce infrarossa fino a 10 THz, che può essere rilevata con la termografia ma non dai nostri occhi. A frequenze inferiori a 100 THz – quelle che caratterizzano lo spettro del medio e del lontano infrarosso, dove si nascondono importanti informazioni – l’energia trasportata non è infatti sufficiente ad attivare i fotorecettori presenti sulla retina. I ricercatori sono però riusciti a creare un dispositivo in grado di convertire la luce infrarossa in luce visibile, spingendo così lontano nell’infrarosso la “vista” di rilevatori comunemente disponibili – e altamente sensibili – per la luce visibile.

Un risultato non semplice da ottenere: a causa della legge di conservazione dell’energia, il cambiamento della frequenza non avviene semplicemente riflettendo la luce su una superficie o facendola passare per un materiale. Per risolvere questo problema è stata aggiunta energia alla luce infrarossa con un “mediatore”: minuscole molecole vibranti. La luce infrarossa viene diretta su queste molecole, dove viene convertita in “energia vibrazionale”. Simultaneamente, un raggio laser di frequenza più alta urta le stesse molecole per fornire ulteriore energia, consentendo così di “ritradurre” la vibrazione in luce – questa volta visibile, però. Per potenziare il processo, le molecole sono racchiuse tra nanostrutture metalliche che fungono da antenne ottiche, concentrando la luce infrarossa e il laser sulle molecole stesse. Risultato? Una nuova luce che, così convertita, apre nuovi orizzonti per l’imaging, il rilevamento e la spettroscopia.

«Il nuovo dispositivo ha una serie di caratteristiche interessanti», dice Christophe Galland della School of Basic Sciences dell’Epfl, che ha guidato lo studio. «In primo luogo, il processo di conversione è coerente, il che significa che tutte le informazioni presenti nella luce infrarossa originale sono riportate fedelmente sulla luce visibile prodotta. Consente così di eseguire la spettroscopia a infrarossi ad alta risoluzione con rilevatori standard, come quelli che si trovano nelle fotocamere dei telefoni cellulari. In secondo luogo, ogni dispositivo ha una lunghezza e una larghezza di appena qualche micrometro: ciò vuol dire che può essere incorporato in grandi matrici di pixel. Infine, il metodo è altamente versatile e può essere adattato a diverse frequenze semplicemente scegliendo molecole con diversi modi vibrazionali».

«Al momento, però, l’efficienza di conversione della luce del dispositivo è ancora molto bassa», sottolinea Wen Chen, primo autore del lavoro. «Adesso stiamo impegnando tutte le nostre forze per migliorarlo ulteriormente».

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