La nostra comprensione del mondo dipende in gran parte dalla nostra conoscenza dei suoi materiali costitutivi e delle loro interazioni. I recenti progressi nelle tecnologie della scienza dei materiali hanno migliorato la nostra capacità di identificare le sostanze chimiche e ampliato le possibili applicazioni.
Una di queste tecnologie è la spettroscopia infrarossa, utilizzata per l’identificazione molecolare in vari campi, come la medicina, il monitoraggio ambientale e la produzione industriale. Tuttavia, anche il migliore strumento esistente, lo spettrometro a infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR), utilizza un elemento riscaldante come sorgente luminosa. Il conseguente rumore del rilevatore nella regione degli infrarossi limita la sensibilità dei dispositivi, mentre le proprietà fisiche ostacolano la miniaturizzazione.
Ora, un gruppo di ricerca guidato dall’Università di Kyoto ha affrontato questo problema incorporando una sorgente di luce quantistica. La loro innovativa sorgente a banda ultralarga e entangled quantistica genera una gamma relativamente più ampia di fotoni infrarossi con lunghezze d’onda comprese tra 2 μm e 5 μm. La ricerca è pubblicata sulla rivista Optica .
"Questo risultato pone le basi per un drastico ridimensionamento del sistema e un miglioramento della sensibilità dello spettrometro a infrarossi", afferma Shigeki Takeuchi del Dipartimento di scienza e ingegneria elettronica.
Un altro elefante nella stanza con gli FTIR è l'onere di trasportare apparecchiature gigantesche e assetate di energia in vari luoghi per testare i materiali in loco. Takeuchi guarda a un futuro in cui gli scanner compatti, ad alte prestazioni e alimentati a batteria del suo team porteranno ad applicazioni facili da usare in vari campi come il monitoraggio ambientale, la medicina e la sicurezza.
"Possiamo ottenere spettri per vari campioni target, inclusi solidi duri, plastica e soluzioni organiche. Shimadzu Corporation, il nostro partner che ha sviluppato il dispositivo a luce quantistica, ha concordato che gli spettri di misurazione a banda larga erano molto convincenti per distinguere le sostanze per un'ampia gamma di campioni", aggiunge Takeuchi.
Sebbene la luce entangled non sia una novità, la larghezza di banda è stata finora limitata a un intervallo ristretto di 1 μm o meno nella regione dell’infrarosso. Questa nuova tecnica, nel frattempo, utilizza le proprietà uniche della meccanica quantistica, come la sovrapposizione e l'entanglement, per superare i limiti delle tecniche convenzionali.
Il dispositivo di abbinamento quasi-fase con cinguettio sviluppato in modo indipendente dal team genera luce entangled sfruttando il cinguettio (cambiando gradualmente il periodo di inversione di polarizzazione di un elemento) per generare coppie di fotoni quantistici su un'ampia larghezza di banda.
"Il miglioramento della sensibilità della spettroscopia quantistica a infrarossi e lo sviluppo dell'imaging quantistico nella regione dell'infrarosso fanno parte della nostra ricerca per sviluppare tecnologie quantistiche nel mondo reale", afferma Takeuchi.
Ulteriori informazioni: Toshiyuki Tashima et al, Spettroscopia infrarossa quantistica a banda ultralarga, Optica (2023). DOI:10.1364/OTTICA.504450
Informazioni sul giornale: Ottica
Fornito dall'Università di Kyoto
