ด้วยการดักจับแสงลงในรอยแยกเล็กๆ ของทองคำ นักวิจัยได้ทำการเกลี้ยกล่อมให้โมเลกุลเปลี่ยนอินฟราเรดที่มองไม่เห็นให้เป็นแสงที่มองเห็นได้ สร้างเครื่องตรวจจับต้นทุนต่ำตัวใหม่สำหรับการตรวจจับ
การตรวจจับแสงที่อยู่นอกเหนือช่วงสีแดงที่มองเห็นได้ในดวงตาของเรานั้นทำได้ยาก เนื่องจากแสงอินฟราเรดมีพลังงานน้อยมากเมื่อเทียบกับความร้อนแวดล้อมที่อุณหภูมิห้อง สิ่งนี้จะบดบังแสงอินฟราเรดเว้นแต่เครื่องตรวจจับพิเศษจะถูกแช่เย็นจนถึงอุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งทั้งมีราคาแพงและใช้พลังงานมาก
ขณะนี้ นักวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้สาธิตแนวคิดใหม่ในการตรวจจับแสงอินฟราเรด โดยแสดงวิธีการแปลงให้เป็นแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งตรวจพบได้ง่าย
ในความร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานจากสหราชอาณาจักร สเปน และเบลเยียม ทีมงานใช้โมเลกุลชั้นเดียวเพื่อดูดซับแสงอินฟราเรดกลางภายในพันธะเคมีที่สั่นสะเทือน โมเลกุลที่สั่นสะเทือนเหล่านี้สามารถบริจาคพลังงานให้กับแสงที่มองเห็นได้ โดยจะ ‘แปลง’ ให้กลายเป็นการปล่อยก๊าซที่ใกล้กับปลายสเปกตรัมสีน้ำเงิน ซึ่งสามารถตรวจจับได้ด้วยกล้องแสงที่มองเห็นได้ในปัจจุบัน
ผลลัพธ์ที่รายงานในวารสาร Scienceได้เปิดเผยวิธีใหม่ในการตรวจจับสิ่งปลอมปนในต้นทุนต่ำ ติดตามมะเร็ง ตรวจสอบส่วนผสมของก๊าซ และสัมผัสจักรวาลภายนอกจากระยะไกล
ความท้าทายที่นักวิจัยต้องเผชิญคือการทำให้แน่ใจว่าโมเลกุลที่สั่นสะเทือนจะพบกับแสงที่มองเห็นได้เร็วพอ Angelos Xomalis ผู้เขียนคนแรกจาก Cavendish Laboratory ของเคมบริดจ์กล่าวว่า “นี่หมายความว่าเราต้องดักจับแสงไว้แน่นจริงๆ โดยการบีบให้เป็นรอยแยกที่ล้อมรอบด้วยทองคำ
นักวิจัยได้คิดค้นวิธีที่จะประกบชั้นโมเลกุลเดี่ยวระหว่างกระจกกับทองชิ้นเล็กๆ ซึ่งทำได้เฉพาะกับ ‘วัสดุเมตา’ เท่านั้นที่สามารถบิดและบีบแสงให้เป็นปริมาตรที่เล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ถึงพันล้านเท่า
ดร.โรหิต ชิกการดี ผู้เขียนร่วมจาก Cavendish Laboratory ผู้คิดค้น การทดลองโดยอาศัยการจำลองแสงของเขาในหน่วยการสร้างเหล่านี้
ศาสตราจารย์ Jeremy Baumberg จาก NanoPhotonics Center ที่ Cavendish Laboratory ของ Cambridge กล่าวว่า “มันเหมือนกับการฟังคลื่นแผ่นดินไหวที่ค่อยๆ กระเพื่อมด้วยการชนเข้ากับสายไวโอลินเพื่อให้ได้เสียงสูงที่ได้ยินง่าย และไม่ทำลายไวโอลิน” การวิจัย.
นักวิจัยเน้นว่าในขณะที่ยังเป็นวันแรก ๆ มีหลายวิธีในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องตรวจจับโมเลกุลราคาไม่แพงเหล่านี้ ซึ่งสามารถเข้าถึงข้อมูลมากมายในหน้าต่างสเปกตรัมนี้
จากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ของโครงสร้างทางช้างเผือกไปจนถึงการตรวจจับฮอร์โมนของมนุษย์หรือสัญญาณเริ่มต้นของมะเร็งที่แพร่กระจาย เทคโนโลยีหลายอย่างสามารถได้รับประโยชน์จากเครื่องตรวจจับแบบใหม่นี้
การวิจัยได้ดำเนินการโดยทีมงานจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ KU Leuven มหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอน (UCL) สถาบันฟาราเดย์ และ Universitat Politècnica de València
การวิจัยได้รับทุนสนับสนุนจากการลงทุนของ UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) ใน Cambridge NanoPhotonics Centre รวมถึง European Research Council (ERC), Trinity College Cambridge และ KU Leuven
Jeremy Baumberg เป็นเพื่อนของ Jesus College เมืองเคมบริดจ์
อ้างอิง:
Angelos Xomalis et al. ‘การตรวจจับแสงอินฟราเรดกลางโดยการแปลงความถี่โมเลกุลด้วยนาโนแอนเทนนาไฮบริดความยาวคลื่นคู่’, Science (2021) ดอย: 10.1126/science.abk2593
