Um esforço colaborativo internacional levou à criação dos primeiros superespelhos no infravermelho médio com refletividade excepcional, conforme relatado em Comunicações da Natureza. Espera-se que esta inovação melhore significativamente a detecção de gases ambientais e os processos industriais, marcando um grande salto na tecnologia de espelhos. Crédito: SciTechDaily.com
Espelhos infravermelhos avançados melhoram a pesquisa climática e de biocombustíveis por meio da detecção precisa de gases residuais.
Uma equipe internacional de pesquisadores dos Estados Unidos, Áustria e Suíça demonstrou os primeiros superespelhos verdadeiros na região espectral do infravermelho médio. Esses espelhos são essenciais para muitas aplicações, como espectroscopia óptica para detecção ambiental, bem como corte e soldagem a laser para fabricação.
Alcançando refletividade quase perfeita
No campo dos espelhos de alto desempenho, todos buscam o impossível: revestimentos com refletividade perfeita. Na faixa visível de comprimentos de onda (ou seja, entre 380 nm e 700 nm), os espelhos metálicos avançados atingem refletividades de até 99%, o que significa 1 fóton é perdido para cada 99 refletidos. Isso pode parecer impressionante, mas na região do infravermelho próximo (ou seja, entre ~780 nm e 2,5 μm), os revestimentos espelhados demonstraram 99,9997% de refletividade, perdendo apenas 3 fótons em 1 milhão refletidos.
Um substrato de silício de uma polegada de diâmetro revestido com um revestimento de interferência depositado convencionalmente. Crédito: Valentin Wittwer
Há um desejo de longa data de estender o nível de desempenho deste superespelho para o infravermelho médio (comprimentos de onda de 2,5 µm a 10 µm e além), onde avanços podem ser possibilitados em tarefas de detecção de gases residuais relacionadas às mudanças climáticas e biocombustíveis, como bem como em aplicações industriais, como usinagem a laser e nanofabricação. Até agora, os melhores espelhos no infravermelho médio perdem cerca de 1 em cada 10.000 fótons, ou cerca de 33 vezes pior do que no infravermelho próximo.
A colaboração internacional leva ao avanço
Conforme descrito no artigo publicado em Comunicações da Natureza, uma colaboração internacional de pesquisadores da Thorlabs’ Crystalline Solutions (Santa Bárbara, CA), do Laboratório Christian Doppler para Espectroscopia no Infravermelho Médio da Universidade de Viena (Áustria), do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) e do A Universidade de Neuchâtel (Suíça) demonstrou agora os primeiros superespelhos verdadeiros no infravermelho médio. Esses espelhos perdem apenas 8 fótons em 1 milhão, alcançando uma refletividade de 99,99923%. Alcançar refletividades tão extremas exigiu um domínio combinado de materiais, design de espelhos e processos de fabricação.
Um wafer GaAs padronizado de quatro polegadas com matrizes GaAs/AlGaAs monocristalinas que eventualmente serão ligadas por fusão aos substratos de silício revestidos. Crédito: Georg Winkler
Novo paradigma em revestimentos espelhados
Para concretizar esta primeira geração de superespelhos de infravermelho médio (MIR), os pesquisadores conceberam e demonstraram um novo paradigma em revestimentos. Eles combinaram técnicas convencionais de revestimento de película fina e novos materiais e métodos semicondutores para superar as restrições de material na desafiadora região do infravermelho médio.
De acordo com Garrett Cole, Gerente de Tecnologia da equipe de Soluções Cristalinas da Thorlabs, “Este trabalho se baseia em nossos esforços pioneiros em revestimentos cristalinos transferidos por substrato. Estendendo esta plataforma para comprimentos de onda mais longos, nossa colaboração internacional é a primeira a demonstrar um método de revestimento MIR com absorção indesejável e perdas de dispersão abaixo de 5 partes por milhão.”
Esses espelhos aproveitam a extrema pureza e a excelente qualidade estrutural da epitaxia de feixe molecular, um processo avançado usado para fabricar muitos dispositivos semicondutores diferentes, para produzir multicamadas monocristalinas de GaAs/AlGaAs com absorção e dispersão insignificantes. Este material de partida é então transformado em espelhos de alto desempenho usando técnicas avançadas de microfabricação, incluindo ligação de “fusão” direta em um revestimento de interferência de filme fino não cristalino convencional de alta qualidade depositado na Universidade de Neuchâtel.
Medindo e Comprovando Desempenho Superior
A fabricação desses espelhos inovadores foi apenas metade do desafio. Os cientistas também precisaram medir metodicamente os espelhos para provar o seu desempenho superior. Gar-Wing Truong, cientista-chefe da Thorlabs Crystalline Solutions, disse: “Foi um tremendo esforço de equipe reunir o equipamento e a experiência para mostrar definitivamente perdas totais tão baixas quanto 7,7 partes por milhão, o que é 6 vezes melhor do que o alcançado anteriormente com qualquer técnica convencional de revestimento MIR.”
O co-autor Lukas Perner, cientista da Universidade de Viena, acrescentou: “Como co-inventor deste novo paradigma de revestimento, foi emocionante e gratificante colocar estes espelhos à prova. Nossos esforços combinados em tecnologia inovadora de espelhos e métodos avançados de caracterização nos permitiram demonstrar seu excelente desempenho, abrindo novos caminhos no MIR.”
Impacto na detecção ambiental e espectroscopia
Uma aplicação imediata desses novos superespelhos MIR é melhorar significativamente a sensibilidade dos dispositivos ópticos usados para medir vestígios de gases. Esses dispositivos, chamados espectrômetros de cavidade ringdown (CRDS), podem detectar e quantificar quantidades minúsculas de marcadores ambientais importantes, como o monóxido de carbono. A equipe recorreu aos químicos pesquisadores do NIST, Adam Fleisher e Michelle Bailey, que trabalham há muito tempo com essa técnica. Em um experimento de prova de conceito que colocou esses espelhos à prova, Fleisher e Bailey mostraram que os espelhos já superam o estado da arte.
“Os espelhos de baixa perda tornam possível alcançar comprimentos de caminho óptico excepcionalmente longos em um dispositivo pequeno – neste caso, é como comprimir a distância da Filadélfia a Nova York na extensão de um único metro”, disse Bailey. “Esta é uma vantagem importante para a espectroscopia ultrassensível na faixa espectral MIR, inclusive para medição de radioisótopos que são importantes para a ciência forense nuclear e datação por carbono.”
Referência: “Superespelhos de infravermelho médio com sutileza superior a 400.000” por Gar-Wing Truong, Lukas W. Perner, D. Michelle Bailey, Georg Winkler, Seth B. Cataño-Lopez, Valentin J. Wittwer, Thomas Südmeyer, Catherine Nguyen, David Follman, Adam J. Fleisher, Oliver H. Heckl e Garrett D. Cole, 6 de dezembro de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-43367-z
