Em uma cooperação internacional com parceiros da indústria e pesquisa, físicos da Universidade de Viena, junto com Thorlabs, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), e a Universidade do Kansas, agora conseguiram, pela primeira vez, demonstrar espelhos de laser de alto desempenho na faixa de comprimento de onda do infravermelho médio relevante para detecção que absorvem menos de dez em um milhão de fótons. Fabricado em um novo processo baseado em materiais cristalinos, esses espelhos de baixa perda prometem abrir áreas de aplicação completamente novas, por exemplo, na análise óptica de gases respiratórios para detecção precoce de câncer ou detecção de gases de efeito estufa. Este trabalho será publicado na edição atual da revista. Optica .

Em 2016, pesquisadores do interferômetro laser LIGO conseguiram a primeira observação direta de ondas gravitacionais, que havia sido originalmente previsto por Albert Einstein em 1916. Uma contribuição significativa para a observação desta propagação ondulatória de perturbações no espaço-tempo, que foi premiado com o Prêmio Nobel um ano depois, foi fornecido pelos espelhos de laser do conjunto de interferômetro de quilômetro de comprimento. A otimização desses espelhos para perdas de absorção ótica extremamente baixas foi um avanço importante na compreensão da sensibilidade necessária para fazer tais medições. "Os espelhos de baixa perda são uma tecnologia chave para muitos campos de pesquisa diferentes, "explica Oliver H. Heckl, chefe do Laboratório Christian Doppler para Espectroscopia de infravermelho médio e Óptica de semicondutores, "Eles são o elo para diversos campos de pesquisa, como diagnóstico de câncer e detecção de ondas gravitacionais."

Na verdade, propriedades de espelho comparáveis ​​também são avanços tecnológicos promissores para aplicações significativamente mais práticas. Isso inclui, entre outras coisas, espectroscopia molecular sensível, ou seja, a detecção das menores quantidades de substâncias em misturas de gases - um foco de pesquisa do Laboratório Christian Doppler (CDL). Exemplos podem ser encontrados na detecção precoce do câncer por meio da detecção das menores concentrações de moléculas marcadoras na respiração dos pacientes, ou na detecção precisa de vazamentos de metano em sistemas de produção de gás natural em grande escala, a fim de limitar a contribuição desses gases de efeito estufa para as mudanças climáticas.

Ao contrário dos experimentos no LIGO, Contudo, tais investigações são conduzidas muito mais longe do espectro de luz visível, na faixa do infravermelho médio. Nesta região de comprimento de onda, também conhecida como "região de impressão digital, "muitas moléculas estruturalmente semelhantes são claramente distinguíveis com base em suas linhas de absorção características. Portanto, é um desejo antigo da comunidade fotônica, para obter níveis de perda igualmente baixos nesta faixa de comprimento de onda tecnicamente desafiadora.

Isso é exatamente o que a equipe liderada por Oliver H. Heckl conseguiu agora em uma cooperação internacional. Nesse caso, perda baixa significa que o novo tipo de espelho absorve menos de 10 em um milhão de fótons. Para comparação:um espelho de banheiro disponível comercialmente "destrói" cerca de dez mil vezes mais fótons, e mesmo os espelhos usados ​​nas principais pesquisas têm perdas dez a cem vezes maiores.

Esta melhoria drástica foi possível através do uso de uma tecnologia de revestimento óptico completamente nova:Primeiro, pilhas de cristal único de materiais semicondutores de alta pureza são depositadas por meio de um processo de crescimento epitaxial. Essas multicamadas monocristalinas são então transferidas por meio de um processo de ligação proprietário para substratos ópticos de silício curvos, completando os espelhos que foram testados no CDL e no NIST. Esta tecnologia única de "revestimento cristalino" foi desenvolvida e executada pelo parceiro industrial do Laboratório Christian Doppler, Thorlabs Crystalline Solutions. Esta empresa foi fundada originalmente com o nome de Crystalline Mirror Solutions (CMS) em 2013 como um spin-off da Universidade de Viena por Garrett Cole e Markus Aspelmeyer. A CMS foi adquirida pela Thorlabs Inc. em dezembro de 2019. Esta colaboração da indústria foi possível, com o apoio do Ministério Federal de Assuntos Digitais e Econômicos, por meio do modelo internacionalmente único da Christian Doppler Research Association (CDG) para promover a pesquisa básica orientada para a aplicação. Um grupo de pesquisa liderado por Adam Fleisher do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) em Gaithersburg, Maryland (EUA), que é conhecido por medições de precisão, também desempenhou um papel fundamental neste sucesso. Georg Winkler, co-autor do estudo atual expressa seu entusiasmo:"A tecnologia de medição precisa é muito mais do que apenas pedantismo. Onde quer que você possa dar uma olhada mais de perto em uma ordem de magnitude, você geralmente descobre fenômenos completamente novos, basta pensar na invenção do microscópio e do telescópio! "

Na verdade, esta avaliação já se provou verdadeira na caracterização detalhada dos próprios novos espelhos, quando um efeito anteriormente desconhecido de absorção dependente de polarização foi descoberto nas camadas semicondutoras e teoricamente explorado pelo colaborador Prof. Hartwin Peelaers da Universidade de Kansas. “Esses resultados abrem grandes oportunidades para um maior refinamento desses espelhos”, o co-autor Lukas Perner está encantado:"Graças às perdas extremamente baixas, podemos otimizar ainda mais a largura de banda e a refletividade."

Com isso em mente, os parceiros do projeto já estão trabalhando em mais um aprimoramento da tecnologia:a expansão da largura de banda óptica dos espelhos permitirá que eles sejam usados ​​de forma eficiente com os chamados pentes de frequência óptica. Isso permitirá a análise de misturas de gases particularmente complexas com precisão sem precedentes.