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(noticias nanowerk) Un equipo internacional de investigadores de EE.UU., Austria y Suiza ha detectado los primeros superespejos reales en el rango espectral del infrarrojo medio. Estos espejos son fundamentales para muchas aplicaciones, como la espectroscopia óptica para la detección ambiental y el corte y soldadura por láser en la fabricación.
Este hito fue publicado recientemente en comunicación de la naturaleza (“Súper espejo de infrarrojo medio con una finura de más de 400.000”).
Las tesis centrales
Investigación
Cuando se trata de espejos de alto rendimiento, todo el mundo aspira a lo imposible: revestimientos con una reflectividad perfecta. En el rango de longitud de onda visible (es decir, entre 380 nm y 700 nm), los espejos metálicos modernos alcanzan reflectancias de hasta el 99 %, lo que significa que se pierde un fotón por cada 99 fotones reflejados. Esto puede parecer impresionante, pero en la región del infrarrojo cercano (es decir, entre ~780 nm y 2,5 μm), los revestimientos de espejos han demostrado una reflectividad del 99,9997 %, perdiendo sólo 3 fotones por cada millón reflejado.
Durante mucho tiempo ha existido el deseo de extender este nivel de rendimiento de superespejos al infrarrojo medio (longitudes de onda de 2,5 µm a 10 µm y más), donde se pueden permitir avances en la detección de gases traza asociados con el cambio climático y los biocombustibles, así como en Aplicaciones industriales como procesamiento láser y nanofabricación. Hasta ahora, los mejores espejos pierden aproximadamente 1 de cada 10.000 fotones en el infrarrojo medio, unas 33 veces más que en el infrarrojo cercano.
Una colaboración internacional de investigadores de Crystalline Solutions de Thorlabs (Santa Bárbara, CA), el Laboratorio Christian Doppler de Espectroscopía de Infrarrojo Medio de la Universidad de Viena (Austria), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) y la Universidad de Neuchâtel (Suiza) ha demostrado los primeros superespejos verdaderos del infrarrojo medio. Estos espejos pierden sólo 8 fotones por 1 millón y alcanzan una reflectividad del 99,99923%. Lograr niveles tan extremos de reflectancia requirió un dominio combinado de los materiales, el diseño de espejos y los procesos de fabricación.
Para realizar esta primera generación de superespejos de infrarrojo medio (MIR), los investigadores diseñaron y demostraron un nuevo paradigma de recubrimiento. Combinaron técnicas convencionales de recubrimiento de película fina y nuevos materiales y métodos semiconductores para superar las limitaciones de los materiales en la desafiante región del infrarrojo medio.
Según Garrett Cole, director de tecnología del equipo de Soluciones Cristalinas de Thorlabs, “este trabajo se basa en nuestros esfuerzos pioneros en recubrimientos cristalinos transferidos por sustrato. Al ampliar esta plataforma a longitudes de onda más largas, nuestra colaboración internacional es la primera en demostrar un método de recubrimiento MIR con pérdidas de absorción y dispersión indeseables por debajo de 5 ppm”.
Estos espejos aprovechan la pureza extrema y la excelente calidad estructural de la epitaxia del haz molecular, un proceso avanzado para fabricar muchos dispositivos semiconductores diferentes, para crear multicapas monocristalinas de GaAs/AlGaAs con absorción y dispersión insignificantes. Este material de partida luego se convierte en espejos de alto rendimiento utilizando técnicas avanzadas de microfabricación, incluida la unión directa por “fusión” a un recubrimiento de interferencia de película delgada no cristalina, convencional y de alta calidad aplicado en la Universidad de Neuchâtel.
Fabricar estos espejos innovadores fue sólo la mitad del desafío. Los científicos también tuvieron que medir metódicamente los espejos para demostrar su rendimiento superior.
Gar-Wing Truong, científico principal de Thorlabs Crystalline Solutions, dijo: «Fue un tremendo esfuerzo de equipo reunir el equipo y la experiencia para mostrar definitivamente pérdidas generales de solo 7,7 partes por millón, que es seis veces mejor que lo que teníamos anteriormente». “Cualquier técnica de recubrimiento MIR convencional”.
El coautor principal Lukas Perner, científico de la Universidad de Viena, añadió: “Como coinventor de este novedoso paradigma de recubrimiento, fue emocionante y gratificante poner a prueba estos espejos. Nuestros esfuerzos conjuntos en tecnología de espejos innovadora y métodos de caracterización avanzados nos han permitido demostrar su rendimiento excepcional y así abrir nuevos caminos en MIR”.
Una aplicación inmediata de estos novedosos superespejos MIR es mejorar significativamente la sensibilidad de los dispositivos ópticos utilizados para medir trazas de gases. Estos dispositivos, llamados espectrómetros de anillo de cavidad (CRDS), pueden detectar y cuantificar pequeñas cantidades de importantes marcadores ambientales como el monóxido de carbono. El equipo recurrió a los químicos investigadores del NIST Adam Fleisher y Michelle Bailey, quienes han trabajado durante mucho tiempo con esta técnica. En un experimento de prueba de concepto que puso a prueba estos espejos, Fleisher y Bailey demostraron que los espejos ya superan el estado del arte.
«Los espejos de baja pérdida hacen posible lograr longitudes de trayectoria óptica excepcionalmente largas en un dispositivo pequeño; en este caso, es como comprimir la distancia de Filadelfia a Nueva York en el lapso de un solo metro», dijo Bailey. «Esta es una ventaja decisiva para la espectroscopia altamente sensible en el rango espectral MIR, también para la medición de radioisótopos que son importantes para la ciencia forense nuclear y la datación por carbono».
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