In una cooperazione internazionale con partner dell'industria e della ricerca, fisici dell'Università di Vienna, insieme a Thorlabs, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST), e l'Università del Kansas, sono ora riusciti per la prima volta a dimostrare specchi laser ad alte prestazioni nella gamma di lunghezze d'onda del medio infrarosso rilevante per il rilevamento che assorbono meno di dieci su un milione di fotoni. Prodotto in un nuovo processo basato su materiali cristallini, questi specchi a bassa perdita promettono di aprire aree di applicazione completamente nuove, ad esempio nell'analisi ottica dei gas respiratori per la diagnosi precoce del cancro o la rilevazione dei gas serra. Questo lavoro sarà pubblicato nel numero corrente della rivista ottica .

Nel 2016 i ricercatori dell'interferometro laser LIGO sono riusciti nella prima osservazione diretta delle onde gravitazionali, che era stato originariamente previsto da Albert Einstein nel 1916. Un contributo significativo all'osservazione di questa propagazione ondulatoria dei disturbi nello spazio-tempo, premiato con il Premio Nobel un anno dopo, è stato fornito dagli specchi laser del complesso interferometro lungo un chilometro. L'ottimizzazione di questi specchi per perdite di assorbimento ottico estremamente basse è stato un progresso chiave nel realizzare la sensibilità necessaria per effettuare tali misurazioni. "Gli specchi a bassa perdita sono una tecnologia chiave per molti campi di ricerca diversi, " spiega Oliver H. Heckl, capo del Laboratorio Christian Doppler per la spettroscopia nel medio infrarosso e l'ottica dei semiconduttori, "Sono il collegamento per campi di ricerca così diversi come la diagnosi del cancro e il rilevamento delle onde gravitazionali".

Infatti, proprietà dello specchio comparabili sono anche promettenti scoperte tecnologiche per applicazioni molto più pratiche. Ciò comprende, tra l'altro, spettroscopia molecolare sensibile, vale a dire il rilevamento delle più piccole quantità di sostanze nelle miscele di gas, un obiettivo di ricerca del Christian Doppler Laboratory (CDL). Esempi possono essere trovati nella diagnosi precoce del cancro attraverso la rilevazione delle più piccole concentrazioni di molecole marker nel respiro dei pazienti, o nel rilevamento preciso di fughe di metano negli impianti di produzione di gas naturale su larga scala al fine di limitare il contributo di tali gas serra al cambiamento climatico.

A differenza degli esperimenti di LIGO, però, tali indagini sono condotte molto oltre lo spettro della luce visibile, nella gamma del medio infrarosso. In questa regione di lunghezze d'onda, nota anche come "regione delle impronte digitali, " molte molecole strutturalmente simili sono chiaramente distinguibili in base alle loro caratteristiche linee di assorbimento. Pertanto, è un desiderio di vecchia data della comunità fotonica, per realizzare livelli di perdita altrettanto bassi in questa gamma di lunghezze d'onda tecnicamente impegnativa.

Questo è esattamente ciò che il team guidato da Oliver H. Heckl ha ora ottenuto in una cooperazione internazionale. In questo caso, bassa perdita significa che il nuovo tipo di specchio assorbe meno di 10 su un milione di fotoni. Per fare un confronto:uno specchio da bagno disponibile in commercio "distrugge" circa diecimila volte più fotoni, e anche gli specchi utilizzati nella ricerca di punta hanno perdite da dieci a cento volte superiori.

Questo drastico miglioramento è stato reso possibile grazie all'uso di una tecnologia di rivestimento ottico completamente nuova:in primo luogo, pile monocristalline di materiali semiconduttori di elevata purezza vengono depositate tramite un processo di crescita epitassiale. Questi multistrati monocristallini vengono quindi trasferiti tramite un processo di incollaggio proprietario su substrati ottici di silicio curvi, completando i mirror che sono stati testati sia al CDL che al NIST. Questa tecnologia unica di "rivestimento cristallino" è stata sviluppata e realizzata dal partner industriale del Laboratorio Christian Doppler, Soluzioni cristalline Thorlabs. Questa società è stata originariamente fondata con il nome di Crystalline Mirror Solutions (CMS) nel 2013 come spin-off dell'Università di Vienna da Garrett Cole e Markus Aspelmeyer. CMS è stata acquisita da Thorlabs Inc. nel dicembre 2019. Questa collaborazione nel settore è stata resa possibile, con il sostegno del Ministero federale dell'economia e del digitale, attraverso il modello unico a livello internazionale della Christian Doppler Research Association (CDG) per promuovere la ricerca di base orientata all'applicazione. Un gruppo di ricerca guidato da Adam Fleisher del National Institute for Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, Maryland (Stati Uniti), rinomata per le misurazioni di precisione, anche svolto un ruolo chiave in questo successo. Georg Winkler, il coautore dell'attuale studio esprime il suo entusiasmo:"La tecnologia di misurazione precisa è molto più di una semplice pedanteria. Ovunque tu possa dare un'occhiata più da vicino per un ordine di grandezza, di solito scopri fenomeni completamente nuovi, basti pensare all'invenzione del microscopio e del telescopio!"

Infatti, tale valutazione si è già dimostrata veritiera nella caratterizzazione dettagliata dei nuovi specchi stessi, quando un effetto precedentemente sconosciuto dell'assorbimento dipendente dalla polarizzazione è stato scoperto negli strati di semiconduttori e teoricamente esplorato dal collaboratore Prof. Hartwin Peelaers presso l'Università del Kansas. "Questi risultati aprono grandi opportunità per un ulteriore affinamento di questi specchi", il coautore Lukas Perner è entusiasta:"Grazie alle perdite estremamente basse possiamo ora ottimizzare ulteriormente la larghezza di banda e la riflettività".

Con questo in testa, i partner del progetto stanno già lavorando a un ulteriore miglioramento della tecnologia:l'espansione della larghezza di banda ottica degli specchi consentirà di utilizzarli in modo efficiente con i cosiddetti pettini di frequenza ottici. Ciò consentirà l'analisi di miscele di gas particolarmente complesse con una precisione senza precedenti.