Espectroscopia quântica no infravermelho usando fótons emaranhados de banda ultralarga

Uma equipe de pesquisa da Universidade de Kyoto avançou significativamente a tecnologia de espectroscopia infravermelha ao integrar uma fonte de luz quântica, superando as limitações anteriores dos FTIRs em relação à sensibilidade e ao tamanho. Esta inovação permite a criação de scanners compactos e eficientes que podem identificar com precisão uma ampla gama de materiais, estabelecendo um novo padrão para dispositivos portáteis de alto desempenho em vários campos, incluindo monitoramento ambiental, medicina e segurança. Crédito: KyotoU/Shigeki Takeuchi

A Universidade de Kyoto desenvolveu espectroscopia quântica infravermelha com largura de banda mais ampla.

A nossa compreensão do mundo depende significativamente da nossa compreensão dos seus materiais constituintes e da forma como eles interagem. O progresso recente na ciência dos materiais melhorou dramaticamente a nossa capacidade de detectar substâncias químicas e ampliou a gama de utilizações potenciais.

Uma dessas tecnologias é espectroscopia infravermelha, utilizado para identificação molecular em diversas áreas, como medicina, monitoramento ambiental e produção industrial. No entanto, mesmo a melhor ferramenta existente — o Espectrômetro infravermelho com transformada de Fourier ou FTIR — utiliza um elemento de aquecimento como fonte de luz. O ruído resultante do detector na região infravermelha limita a sensibilidade dos dispositivos, enquanto as propriedades físicas dificultam a miniaturização.

Inovação Quântica em Espectroscopia

Agora, uma equipa de investigação liderada pela Universidade de Quioto abordou este problema incorporando uma fonte de luz quântica. Sua fonte inovadora de banda ultra larga e emaranhada quântica gera uma gama relativamente mais ampla de fótons infravermelhos com comprimentos de onda entre 2 μm e 5 μm.

“Essa conquista prepara o terreno para reduzir drasticamente o tamanho do sistema e atualizar a sensibilidade do espectrômetro infravermelho”, disse Shigeki Takeuchi, do Departamento de Ciência e Engenharia Eletrônica.

Outro elefante na sala com os FTIRs é o fardo de transportar equipamentos de tamanho gigantesco e que consomem muita energia para vários locais para testar materiais no local. Takeuchi vê um futuro onde os scanners compactos, de alto desempenho e operados por bateria de sua equipe levarão a aplicações fáceis de usar em vários campos, como monitoramento ambiental, medicina e segurança.

“Podemos obter espectros para várias amostras alvo, incluindo sólidos duros, plásticos e soluções orgânicas. A Shimadzu Corporation – nossa parceira que desenvolveu o dispositivo de luz quântica – concordou que os espectros de medição de banda larga foram muito convincentes para distinguir substâncias para uma ampla gama de amostras”, acrescenta Takeuchi.

Mecânica Quântica e Aplicações de Banda Larga

Embora a luz quântica emaranhada não seja nova, a largura de banda até agora foi limitada a uma faixa estreita de 1 μm ou menos na região infravermelha. Esta nova técnica, por sua vez, utiliza as propriedades únicas da mecânica quântica – como superposição e emaranhamento – para superar as limitações das técnicas convencionais.

A equipe desenvolveu de forma independente dispositivo de correspondência de quase fase apitado gera luz emaranhada quântica aproveitando chilrear — alterando gradualmente a configuração de um elemento período de reversão de polarização – para gerar quantum fóton pares em uma ampla largura de banda.

“Melhorar a sensibilidade da espectroscopia quântica no infravermelho e desenvolver imagens quânticas na região do infravermelho fazem parte de nossa busca para desenvolver tecnologias quânticas do mundo real”, comenta Takeuchi.

O estudo foi financiado pelo Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia MEXT Q-LEAP, Core Research for Evolutional Science and Technology, Gabinete do Governo, Governo do Japão, Programa de Expansão Estratégica de Investimento Público/Privado em P&D. , a Pesquisa Precursora para Ciência e Tecnologia Embrionária e a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.

Referência: “Espectroscopia quântica infravermelha de banda ultralarga” por Mamoru Hisamitsu, Norihide Oda, Toshiyuki Tashima, Yu Mukai, Masaya Arahata, Katsuhiko Tokuda, Ryo Okamoto e Shigeki Takeuchi, 19 de janeiro de 2024, ÓPTICO.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.504450



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