Pesquisadores criam os primeiros superespelhos na faixa do infravermelho médio
O substrato de silício de 25 mm de diâmetro usado para os superespelhos. A base convencional já aplicada cria uma impressão de cor roxa. Crédito:Valentin Wittwer Uma equipe internacional de pesquisadores da Áustria, dos Estados Unidos e da Suíça criou os primeiros superespelhos na faixa do infravermelho médio. Esses espelhos são uma tecnologia chave para muitas aplicações, como espectroscopia óptica de gases de efeito estufa ou lasers industriais para corte e soldagem. Os resultados foram publicados recentemente na Nature Communications .
No campo dos espelhos de alto desempenho, todos buscam o impossível:revestimentos com refletividade perfeita. Na faixa de comprimento de onda visível (comprimentos de onda entre 380 nm e 700 nm), os espelhos metálicos avançados alcançam uma refletividade de até 99%, o que significa que um fóton é perdido para cada 99 fótons refletidos. Isso pode parecer muito, mas na faixa do infravermelho próximo (entre cerca de 780 nm e 2,5 μm), os revestimentos espelhados especializados já alcançaram uma refletividade de 99,9997%. Isto significa que de 1 milhão de fótons refletidos, apenas três são perdidos.
Há muito que existe o desejo de estender esta tecnologia de superespelho ao infravermelho médio (comprimentos de onda de 2,5 µm a 10 µm e além). Isto permitiria progressos significativos em muitas áreas – por exemplo, na medição de gases residuais relacionados com as alterações climáticas, mas também na análise de biocombustíveis. Além disso, muitas aplicações industriais e médicas poderiam ser melhoradas, como corte de laser e bisturis a laser. Até agora, porém, os melhores espelhos no infravermelho médio perdem um em cada 10.000 fótons, cerca de 33 vezes pior do que os superespelhos no infravermelho próximo.
No estudo recentemente publicado, uma equipa internacional de cientistas criou agora os primeiros superespelhos no infravermelho médio. Sob a liderança do Laboratório Christian Doppler para Espectroscopia de Infravermelho Médio e Óptica de Semicondutores (CDL Mid-IR) da Universidade de Viena e do parceiro industrial Thorlabs Crystalline Solutions (Santa Bárbara, Califórnia), os pesquisadores conseguiram criar espelhos que só perder oito de 1 milhão de fótons. Isto significa que estes superespelhos atingem uma refletividade de 99,99923%. Para alcançar esse recorde, os pesquisadores tiveram que analisar e controlar com precisão os materiais, o desenho do espelho e o processo de fabricação. As estruturas semicondutoras cristalinas altamente reflexivas. Estes são primeiro cultivados em pastilhas de arsenieto de gálio de 10 cm e divididos em espelhos redondos menores. Cada um desses discos redondos é então ligado a um substrato preparado para criar um superespelho acabado. Crédito:Georg Winkler Novo processo de revestimento desenvolvido
Primeiro, os pesquisadores tiveram que desenvolver um novo processo de revestimento. Eles combinaram técnicas convencionais de revestimento de película fina com novos materiais e métodos semicondutores. Isto tornou possível superar as limitações materiais na difícil região do infravermelho médio. Oliver H. Heckl, chefe do CDL Mid-IR da Universidade de Viena, disse:"Este avanço mostra o enorme potencial na colaboração bem-sucedida entre pesquisa básica inovadora e desenvolvimento de produtos orientado às necessidades".
Garrett Cole, gerente de tecnologia da Thorlabs Crystalline Solutions (TCS), explica:“Este trabalho se baseia em nosso trabalho pioneiro em revestimentos cristalinos transferidos por substrato”.
No entanto, a fabricação era apenas parte do desafio. Os cientistas também tiveram que medir os espelhos com precisão para provar o seu desempenho sem qualquer dúvida. Essa foi a principal tarefa dos dois primeiros autores, Gar-Wing Truong da TCS e Lukas Perner da Universidade de Viena, que afirmam:"Como co-inventores desta nova forma de revestimento, foi emocionante colocar estes espelhos através dos seus e assim confirmar seu excelente desempenho."
Uma aplicação imediata desses novos superespelhos é melhorar significativamente a sensibilidade dos dispositivos ópticos para análise de gases no infravermelho médio. Esses dispositivos podem detectar e quantificar com precisão pequenas quantidades de marcadores ambientais importantes, como o monóxido de carbono.
Para demonstrar essas possibilidades, a equipe trouxe especialistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). Eles confirmaram a vantagem decisiva da espectroscopia ultrassensível na faixa espectral do infravermelho médio, incluindo a medição de radioisótopos que são importantes para a ciência forense nuclear e a datação por carbono.
Mais informações: Gar-Wing Truong et al, Superespelhos de infravermelho médio com sutileza superior a 400.000, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43367-z Informações do diário: Comunicações da Natureza
