Una búsqueda de la perfección: el avance en la tecnología de espejos de infrarrojo medio logra una reflectividad 99.99923% sin precedentes

por Santiago Fernández
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Mid-infrared supermirrors

En un esfuerzo de colaboración internacional detallado en las páginas de Nature Communications, se ha alcanzado un hito notable en el ámbito de la tecnología de espejos. Investigadores de Estados Unidos, Austria y Suiza han sido pioneros con éxito en la creación de superespejos de infrarrojo medio que cuentan con una asombrosa reflectividad de 99,99923%. Este logro está preparado para revolucionar la detección de gases ambientales y los procesos industriales, lo que significa un avance monumental en el campo de los espejos. Crédito: SciTechPost.com

Aumento de la precisión en espejos infrarrojos para aplicaciones medioambientales e industriales

Un equipo multinacional de científicos procedentes de Estados Unidos, Austria y Suiza ha introducido un desarrollo innovador en superespejos de infrarrojo medio. Estos superespejos tienen una inmensa importancia en varios dominios, incluida la espectroscopia óptica para la detección ambiental y aplicaciones como el corte por láser y la soldadura para la fabricación industrial.

Alcanzar la casi perfección en la reflectividad

Dentro del ámbito de los espejos de alto rendimiento, la búsqueda de la perfección es una búsqueda duradera. En el espectro visible, los espejos metálicos avanzados alcanzan índices de reflectividad de hasta 99%, lo que significa la pérdida de apenas un fotón por cada 99 reflejados. Si bien este logro es realmente impresionante, en el espectro del infrarrojo cercano, los revestimientos de espejos ya han demostrado una extraordinaria reflectividad de 99,9997%, con sólo tres fotones perdidos por cada millón reflejados.

La aspiración ha sido durante mucho tiempo ampliar el rendimiento de este superespejo al rango del infrarrojo medio, abarcando longitudes de onda de 2,5 µm a 10 µm y más. Esta extensión es prometedora para mejorar la detección de gases traza en relación con el cambio climático y los biocombustibles, así como para mejorar aplicaciones industriales como el mecanizado láser y la nanofabricación. Hasta ahora, los espejos del infrarrojo medio se han quedado atrás, perdiendo aproximadamente uno de cada 10.000 fotones, lo que es aproximadamente 33 veces menos eficiente que sus homólogos del infrarrojo cercano.

La colaboración internacional produce un gran avance

Como se aclara en el artículo publicado en Nature Communications, un consorcio internacional de investigadores de Crystalline Solutions de Thorlabs en Santa Bárbara, CA, el Laboratorio Christian Doppler de Espectroscopía de Infrarrojo Medio de la Universidad de Viena en Austria, el Instituto Nacional de Estándares y Technology (NIST) y la Universidad de Neuchâtel en Suiza han logrado un hito trascendental al presentar los primeros superespejos genuinos de infrarrojo medio del mundo. Estos superespejos solo pierden ocho fotones de cada millón, logrando una reflectividad excepcional de 99,99923%. El logro de una reflectividad tan incomparable requirió una combinación de experiencia en materiales, diseño de espejos y técnicas de fabricación.

Un enfoque novedoso para los revestimientos de espejos

Para realizar esta generación pionera de superespejos de infrarrojo medio, el equipo de investigación ideó y demostró un enfoque novedoso para los recubrimientos. Fusionaron ingeniosamente métodos convencionales de recubrimiento de película delgada con técnicas y materiales semiconductores innovadores para superar los desafíos inherentes del espectro del infrarrojo medio.

Garrett Cole, director de tecnología del equipo de Soluciones Cristalinas de Thorlabs, explicó: “Este esfuerzo se basa en nuestro trabajo pionero en recubrimientos cristalinos transferidos por sustrato. Al expandir esta plataforma a longitudes de onda más largas, nuestra colaboración internacional se ha convertido en la primera en revelar un método de recubrimiento de infrarrojo medio caracterizado por pérdidas de absorción y dispersión de menos de 5 partes por millón”.

Aprovechando la excelente calidad estructural de la epitaxia del haz molecular, un sofisticado proceso empleado en la fabricación de diversos dispositivos semiconductores, los investigadores generaron multicapas monocristalinas de GaAs/AlGaAs prácticamente desprovistas de absorción y dispersión. Este material inicial se transformó posteriormente en espejos de alto rendimiento utilizando técnicas avanzadas de microfabricación, incluida la unión directa por “fusión” sobre recubrimientos de interferencia de película delgada no cristalinos convencionales de alta calidad desarrollados en la Universidad de Neuchâtel.

La medición precisa valida el rendimiento superior

La fabricación de estos espejos innovadores fue sólo la mitad del desafío. Era imprescindible realizar mediciones rigurosas para validar su desempeño superior. Gar-Wing Truong, científico principal de Thorlabs Crystalline Solutions, señaló: "Fue un inmenso esfuerzo de colaboración reunir el equipo y la experiencia necesarios para demostrar de manera concluyente pérdidas totales tan bajas como 7,7 partes por millón, un nivel seis veces superior a cualquier sistema convencional". técnica de recubrimiento de infrarrojo medio lograda hasta ahora”.

Lukas Perner, coautor principal y científico de la Universidad de Viena, añadió: “Como co-inventor de este innovador paradigma de recubrimiento, fue emocionante y gratificante someter estos superespejos a pruebas rigurosas. Nuestros esfuerzos colectivos para ser pioneros en la tecnología de espejos y emplear métodos de caracterización avanzados han culminado con la revelación de su extraordinario rendimiento, presagiando una nueva era en el espectro del infrarrojo medio”.

Implicaciones para la detección ambiental y la espectroscopía

Una aplicación inmediata de estos innovadores superespejos de infrarrojo medio es su potencial para mejorar significativamente la sensibilidad de los dispositivos ópticos utilizados para medir trazas de gases. Los espectrómetros de cavidad anular (CRDS), capaces de detectar y cuantificar cantidades minúsculas de marcadores ambientales críticos como el monóxido de carbono, se beneficiarán enormemente de este avance. En un experimento de prueba de concepto que sometió estos superespejos a pruebas rigurosas, los químicos investigadores del NIST Adam Fleisher y Michelle Bailey demostraron su rendimiento superior, superando las tecnologías de vanguardia actuales.

Michelle Bailey afirmó: “Los espejos de baja pérdida facilitan el logro de trayectorias ópticas notablemente extendidas dentro de dispositivos compactos. En este contexto, es como comprimir la distancia entre Filadelfia y Nueva York en un solo metro. Esto constituye una ventaja fundamental para la espectroscopia ultrasensible en el espectro del infrarrojo medio, incluida la medición de radioisótopos, que tienen importancia en la ciencia forense nuclear y la datación por carbono”.

Referencia: “Superespejos de infrarrojo medio con una finura 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 y Garrett D. Cole, 6 de diciembre de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-43367-z

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre los superespejos de infrarrojo medio

¿Cuál es la importancia de lograr una reflectividad de 99,99923% en superespejos del infrarrojo medio?

El logro de una reflectividad de 99,99923% en superespejos de infrarrojo medio es muy significativo porque permite una mayor precisión en la detección de gases ambientales y en aplicaciones industriales. Estos superespejos permiten mediciones más precisas de gases traza relacionados con el cambio climático y los biocombustibles, así como un rendimiento mejorado en tareas como el mecanizado láser y la nanofabricación.

¿Cómo se compara la reflectividad del infrarrojo medio con otras tecnologías de espejos?

La reflectividad del infrarrojo medio, de 99,99923%, representa un salto sustancial en la tecnología de espejos. En comparación, los espejos convencionales de infrarrojo medio suelen perder aproximadamente 1 de cada 10.000 fotones. Lograr una reflectividad casi perfecta en el espectro del infrarrojo medio ha sido durante mucho tiempo un desafío, y este avance supera las capacidades anteriores por un margen significativo.

¿Qué hace que estos superespejos de infrarrojo medio sean únicos?

Estos superespejos de infrarrojo medio se distinguen por su enfoque innovador de los recubrimientos, que combina técnicas convencionales de recubrimiento de película delgada con materiales y métodos semiconductores avanzados. Esta fusión de tecnologías supera las limitaciones inherentes del espectro del infrarrojo medio, lo que da como resultado superespejos con una reflectividad sin precedentes.

¿Qué aplicaciones prácticas pueden beneficiarse de estos superespejos?

Estos superespejos tienen aplicaciones inmediatas para mejorar la sensibilidad de los dispositivos ópticos utilizados para medir trazas de gases, particularmente en la detección ambiental. Pueden mejorar el rendimiento de dispositivos como los espectrómetros de anillo de cavidad (CRDS), que permiten la detección y cuantificación de pequeñas cantidades de marcadores ambientales cruciales, como el monóxido de carbono. Además, tienen aplicaciones potenciales en campos como la ciencia forense nuclear y la datación por carbono.

¿Quiénes fueron los colaboradores clave en esta investigación?

Este avance en los superespejos de infrarrojo medio se logró gracias a una colaboración internacional en la que participaron investigadores de diversas instituciones, incluidas Crystalline Solutions de Thorlabs en Santa Bárbara, California, el Laboratorio Christian Doppler de Espectroscopía de Infrarrojo Medio de la Universidad de Viena en Austria, el Instituto Nacional de Estados Unidos Instituto de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Neuchâtel en Suiza. Su experiencia combinada en materiales, diseño de espejos y procesos de fabricación jugó un papel crucial en el éxito de este proyecto.

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5 comentarios

chico del diario diciembre 25, 2023 - 7:19 am

¡gran avance! espejos @99.99923% ¿reflectividad? ¡Guau! Sensibilidad al medio ambiente y cambio de juego en la industria. #SuperCool

Responder
FinExpert42 diciembre 25, 2023 - 8:11 am

¿Detección de gas más precisa? ¿Monóxido de carbono? ¡Un gran problema! ¡La reflectividad en el mundo de los espejos importa!

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CarLover123 diciembre 25, 2023 - 5:37 pm

Espejos técnicos que van a lugares, ¡cosas láser también! palabras locas de ciencia aunque _xD83E__xDD2F_

Responder
Poltalker diciembre 25, 2023 - 11:35 pm

¡Colaboración internacional FTW! ¡Suceden cosas que cambian el mundo cuando la gente trabaja junta! _xD83C__xDF0D_✌️

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CriptoEconPol diciembre 26, 2023 - 1:59 am

Espera, ¿el infrarrojo medio es mejor que el infrarrojo cercano? ¡Qué locura! ¡La ciencia es genial!

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