Nueva nanotecnología para convertir luz infrarroja en visible

La detección de la luz, base de muchas tecnologías modernas, es relativamente sencilla en el espectro visible (región del espectro electromagnético que percibe el ojo humano) y en el infrarrojo cercano. Sin embargo, la detección se complica cuando la longitud de onda se va haciendo cada vez más grande (y la frecuencia más pequeña) y nos movemos hacia el infrarrojo medio y más allá en el rango de los terahercios. 

La razón es que en estas bandas espectrales la luz transporta muy poca energía en comparación con el calor ambiental a temperatura ambiente. Este ‘ruido’ ambiental oscurece la luz infrarroja a menos que se usen detectores especializados que funcionan a temperaturas muy bajas, lo que es caro y consume mucha energía. 

La Universitat Politècnica de València (UPV), con su Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC), ha participado junto a investigadores de Reino Unido, Suiza y otros países en el desarrollo y validación de nueva tecnología con la que han logrado convertir luz infrarroja en visible, rango en el que puede ser detectada con sistemas convencionales.

Los experimentos se han realizado en el marco del proyecto europeo THOR y los resultados se publican en la revista Science. 

“La idea básica es que la materia vibra a frecuencias muy altas, del orden de decenas de terahercios. Así podemos usar moléculas como mezcladores y conseguir convertir la frecuencia de la radiación infrarroja incidente en luz visible”, explica Alejandro Martínez, investigador del NTC y catedrático de la UPV. 

De momento, estos resultados abren la puerta a nuevos sistemas de detección para aplicación en imagen térmica, observación del universo, detección de contaminantes y gases de efecto invernadero, así como en análisis químico y biológico. Además, el hecho de poder detectar luz a frecuencias donde no es fácil hacerlo puede dar lugar a aplicaciones imprevistas.

Funcionamiento a temperatura ambiente

“Esta tecnología permitirá inspeccionar un régimen frecuencial en el que ahora prácticamente no detectamos nada, porque los detectores actuales son ineficientes, lentos, voluminosos y necesitan funcionar a temperaturas criogénicas”, subraya Martínez. Los detectores de infrarrojo que se presentan ahora, sin embargo, operan a temperatura ambiente.

Su validación experimental ha sido ardua: se necesitaban nanoantenas duales que trabajasen en regímenes espectrales muy diferentes y que fueran capaces tanto de recoger eficientemente la luz infrarroja incidente como de localizar la luz visible en las regiones nanométricas donde se sitúan las moléculas. 

“Lo fundamental es usar nanoestructuras de oro, que son las que nos permiten capturar y localizar la luz en regiones del tamaño de la molécula”, explica Martínez, quien ha participado en los dos grupos independientes de científicos que publican ahora sus resultados en Science. 

La diferencia entre ambos experimentos es la nanoantena utilizada: en uno realizado en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza) colocaron la nanopartícula de oro dentro de una ranura nanométrica en una película también de oro, mientras que en otro de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) la situaron sobre un disco del preciado metal. En ambos casos se depositaron moléculas de bifenil-4-tiol en medio.

“Nuestro próximo objetivo es llegar a frecuencias más bajas, en la banda de los terahercios, donde no hay detectores eficientes que funcionen a temperatura ambiente, y para ello lo que haremos será cambiar la molécula”, explica Martínez, que concluye: “Además lo queremos implementar en un chip de silicio, por lo que la tecnología sería muy barata y compatible con la microelectrónica”.

Referencias bibliográficas:

W. Chen et al.: “Continuous-Wave Frequency Upconversion with a Molecular Optomechanical Nanocavity”. A. Xomalis et al.: “Detecting mid-infrared light by molecular frequency upconversion with dual-wavelength hybrid nanoantennas”. Science, 2021