Un team internazionale di ricercatori provenienti da Austria, Stati Uniti e Svizzera ha creato i primi superspecchi nella gamma del medio infrarosso. Questi specchi rappresentano una tecnologia chiave per molte applicazioni, come la spettroscopia ottica dei gas serra o i laser industriali per il taglio e la saldatura. I risultati sono stati recentemente pubblicati su Nature Communications .
Nel campo degli specchi ad alte prestazioni tutti inseguono l'impossibile:rivestimenti con una riflettività perfetta. Nell'intervallo di lunghezze d'onda visibili (lunghezze d'onda comprese tra 380 nm e 700 nm), gli specchi metallici avanzati raggiungono una riflettività fino al 99%, il che significa che viene perso un fotone per ogni 99 fotoni riflessi. Potrebbe sembrare molto, ma nella gamma del vicino infrarosso (tra circa 780 nm e 2,5 μm), i rivestimenti specializzati per specchi hanno già raggiunto una riflettività del 99,9997%. Ciò significa che su 1 milione di fotoni riflessi, solo tre vengono persi.
Da tempo si desidera estendere questa tecnologia dei superspecchi al medio infrarosso (lunghezze d'onda da 2,5 µm a 10 µm e oltre). Ciò consentirebbe progressi significativi in molti settori, ad esempio nella misurazione dei gas in tracce legati al cambiamento climatico, ma anche nell’analisi dei biocarburanti. Inoltre, molte applicazioni industriali e mediche potrebbero essere migliorate, come il taglio laser e i bisturi laser. Finora, tuttavia, i migliori specchi nel medio infrarosso perdono un fotone su 10.000, circa 33 volte peggio dei superspecchi nel vicino infrarosso.
Nello studio recentemente pubblicato, un team internazionale di scienziati ha ora creato i primi superspecchi nel medio infrarosso. Sotto la guida del Christian Doppler Laboratory for Mid-Infrared Spectroscopy and Semiconductor Optics (CDL Mid-IR) dell'Università di Vienna e del partner industriale Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Barbara, California), i ricercatori sono stati in grado di creare specchi che solo perdere otto su 1 milione di fotoni. Ciò significa che questi super specchi raggiungono una riflettività del 99,99923%. Per raggiungere questo record, i ricercatori hanno dovuto analizzare e controllare con precisione i materiali, il design dello specchio e il processo di produzione.
Sviluppato un nuovo processo di rivestimento
Innanzitutto i ricercatori hanno dovuto sviluppare un nuovo processo di rivestimento. Hanno combinato le tradizionali tecniche di rivestimento a film sottile con nuovi materiali e metodi semiconduttori. Ciò ha permesso di superare le limitazioni materiali nella difficile regione del medio infrarosso. Oliver H. Heckl, capo del CDL Mid-IR dell'Università di Vienna, ha dichiarato:"Questa svolta dimostra l'enorme potenziale di una collaborazione di successo tra la ricerca di base innovativa e lo sviluppo di prodotti orientati ai bisogni."
Garrett Cole, Technology Manager presso Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), spiega:"Questo lavoro si basa sul nostro lavoro pionieristico nei rivestimenti cristallini trasferiti su substrato."
Tuttavia, la produzione rappresentava solo una parte della sfida. Gli scienziati hanno dovuto anche misurare con precisione gli specchi per dimostrare al di là di ogni dubbio la loro prestazione. Questo è stato il compito principale dei due primi autori, Gar-Wing Truong del TCS e Lukas Perner dell'Università di Vienna, che affermano:"Come co-inventori di questa nuova forma di rivestimento, è stato emozionante mettere questi specchi alla prova ritmi e confermano così le loro eccezionali prestazioni."
Un'applicazione immediata di questi nuovi superspecchi è quella di migliorare significativamente la sensibilità dei dispositivi ottici per l'analisi dei gas nel medio infrarosso. Questi dispositivi sono in grado di rilevare e quantificare con precisione piccole quantità di importanti marcatori ambientali, come il monossido di carbonio.
Per dimostrare queste possibilità, il team ha coinvolto esperti del National Institute of Standards and Technology (NIST). Hanno confermato il vantaggio decisivo della spettroscopia ultrasensibile nell'intervallo spettrale del medio IR, compresa la misurazione di radioisotopi importanti per la medicina legale nucleare e la datazione al carbonio.
Ulteriori informazioni: Gar-Wing Truong et al, Superspecchi nel medio infrarosso con finezza superiore a 400.000, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43367-z
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Vienna
