I fisici dell'EPFL propongono un nuovo percorso per rilevare la radiazione infrarossa con una sensibilità eccezionale, consentendo il rilevamento di segnali a partire da quello di un singolo quanto di luce.

Quando si utilizza la nostra webcam o la fotocamera del cellulare, sperimentiamo le straordinarie capacità dei sensori economici e compatti sviluppati negli ultimi decenni per la regione visibile dello spettro elettromagnetico. Anzi, il rilevamento di radiazioni a bassa frequenza non visibili all'occhio umano (come le radiazioni nel medio e lontano infrarosso) richiede apparecchiature complesse e costose. La mancanza di una tecnologia compatta impedisce l'accesso diffuso ai sensori per il riconoscimento delle molecole e l'imaging della radiazione termica emessa naturalmente dal nostro corpo. Una nuova svolta concettuale in questo campo può quindi avere un impatto enorme nella nostra vita quotidiana.

La tecnica più diffusa attualmente disponibile per rilevare le radiazioni nel medio e lontano infrarosso consiste in bolometri, che sono costituiti da schiere di piccoli termometri che misurano il calore prodotto dall'assorbimento della radiazione. Hanno molti limiti, in particolare essendo lento a rispondere e incapace di rilevare deboli livelli di radiazioni.

Il nuovo approccio proposto dal team EPFL guidato da Christophe Galland e Tobias Kippenberg segue un percorso completamente diverso:prima convertire la radiazione invisibile in luce visibile, e poi rilevarlo con le tecnologie esistenti. Al centro del nuovo concetto ci sono le nanostrutture ibride metallo-molecola. Il metallo è fatto su misura per focalizzare la radiazione infrarossa sulle molecole, che vengono così portati in vibrazione. Prossimo, l'energia delle molecole vibranti viene riconvertita in radiazione, ma questa volta a una frequenza molto più alta, nel dominio visibile. La nanostruttura ibrida, progettato in collaborazione con Diego Martin-Cano (Max-Planck Institute for Light, Erlangen, Germania), consente un'elevata efficienza di conversione riducendo le dimensioni del dispositivo a dimensioni significativamente inferiori alla lunghezza d'onda della luce infrarossa.

Filippo Roelli, autore principale dello studio, mette in evidenza che, tra i vari progressi concettuali previsti dal loro schema, l'aspetto più intrigante riguarda la sua potenziale sensibilità:“Il basso livello di rumore aggiunto dalla vibrazione molecolare durante il processo di conversione consente di rilevare segnali estremamente deboli a temperatura ambiente. Con dispositivi avanzati, prevediamo di raggiungere una conversione quantistica limitata e di avere l'opportunità unica di risolvere il segnale di singoli quanti di luce infrarossa".

Lo studio EPFL ispirerà i lavori futuri all'interfaccia tra scienza delle superfici, nanotecnologia e ottica quantistica per favorire lo sviluppo di nuovi dispositivi con applicazioni nel rilevamento e nell'imaging a infrarossi.