I ricercatori guidati dall'EPFL hanno costruito cavità ottiche di altissima qualità per la sfuggente regione spettrale del medio infrarosso, aprendo la strada a nuovi sensori chimici e biologici, oltre a tecnologie promettenti.

La finestra spettrale del medio infrarosso, denominata "regione dell'impronta molecolare, " include lunghezze d'onda della luce da 2,5 a 20 μm. È una miniera d'oro virtuale per la spettroscopia, rilevamento chimico e biologico, scienza dei materiali, e industria, in quanto è l'intervallo in cui possono essere rilevate molte molecole organiche. Contiene anche due gamme che consentono la trasmissione di segnali attraverso l'atmosfera senza distorsioni o perdite. Un modo per sfruttare il potenziale della finestra spettrale del medio infrarosso consiste nell'utilizzare cavità ottiche, che sono micro-dispositivi che confinano la luce per lunghi periodi di tempo. Però, tali dispositivi sono attualmente inesplorati a causa delle sfide tecnologiche a questa lunghezza d'onda. I ricercatori guidati dall'EPFL hanno raccolto questa sfida e hanno dimostrato con successo che i materiali cristallini possono essere utilizzati per costruire cavità ottiche di altissima qualità per la regione spettrale del medio infrarosso, rappresentando il valore più alto raggiunto fino ad oggi per qualsiasi tipo di risonatore nel medio infrarosso e stabilendo un nuovo record nel campo. T

il suo lavoro senza precedenti è pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Caroline Lecaplain e Clément Javerzac-Galy del laboratorio di Tobias J. Kippenberg all'EPFL hanno guidato lo sforzo di ricerca, insieme ai colleghi del Russian Quantum Center. Per realizzare queste microcavità di altissima qualità, gli scienziati hanno utilizzato cristalli di fluoruro di metalli alcalino-terrosi che hanno lucidato manualmente. Hanno sviluppato fibre affusolate di calcogenuro non rivestite per accoppiare in modo efficiente la luce nel medio infrarosso da un laser a cascata quantica (QCL) a onda continua nelle loro microcavità cristalline. Finalmente, le tecniche di spettroscopia ad anello verso il basso della cavità hanno permesso al team di dimostrare senza ambiguità risonatori di altissima qualità in profondità nella gamma spettrale del medio infrarosso.

Ugualmente importante, gli scienziati mostrano anche che il fattore di qualità della microcavità è limitato dall'assorbimento multifonone. Questo è un fenomeno in cui i fononi – quasiparticelle fatte di energia e vibrazioni nel cristallo della cavità – interagiscono simultaneamente e interrompono il confinamento della luce.

Questo lavoro segna una pietra miliare nel campo dei materiali nel medio infrarosso in quanto apre per la prima volta l'accesso a risonatori ultra-alti. È un passo significativo verso un laser compatto stabilizzato in frequenza nel medio infrarosso, che potrebbe avere un impatto importante su applicazioni come la spettroscopia molecolare, rilevamento chimico e biorilevamento.