Em busca da perfeição: avanço na tecnologia de espelho infravermelho médio alcança refletividade 99.99923% sem precedentes

por Santiago Fernández
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Mid-infrared supermirrors

Num esforço colaborativo internacional detalhado nas páginas da Nature Communications, um marco notável foi alcançado no domínio da tecnologia de espelhos. Pesquisadores dos Estados Unidos, Áustria e Suíça foram pioneiros com sucesso na criação de superespelhos no infravermelho médio com uma surpreendente refletividade 99.99923%. Esta conquista está preparada para revolucionar a detecção de gases ambientais e os processos industriais, significando um avanço monumental no campo dos espelhos. Crédito: SciTechPost.com

Elevando a precisão em espelhos infravermelhos para aplicações ambientais e industriais

Uma equipe multinacional de cientistas vindos dos Estados Unidos, Áustria e Suíça introduziu um desenvolvimento inovador em superespelhos no infravermelho médio. Esses superespelhos têm imensa importância em vários domínios, incluindo espectroscopia óptica para detecção ambiental e aplicações como corte a laser e soldagem para fabricação industrial.

Alcançando Quase Perfeição em Refletividade

No domínio dos espelhos de alto desempenho, a busca pela perfeição é uma busca duradoura. No espectro visível, os espelhos metálicos avançados alcançam taxas de refletividade tão altas quanto 99%, significando a perda de apenas um fóton para cada 99 refletidos. Embora esta conquista seja realmente impressionante, no espectro do infravermelho próximo, os revestimentos espelhados já demonstraram uma extraordinária refletividade 99.9997%, com apenas três fótons perdidos em cada milhão refletidos.

A aspiração tem sido estender o desempenho deste superespelho para a faixa do infravermelho médio, abrangendo comprimentos de onda de 2,5 µm a 10 µm e além. Esta extensão é promissora para melhorar a detecção de gases residuais em relação às alterações climáticas e aos biocombustíveis, bem como para melhorar as aplicações industriais, como a maquinação a laser e a nanofabricação. Até agora, os espelhos no infravermelho médio ficaram para trás, perdendo aproximadamente um em cada 10.000 fótons, o que é aproximadamente 33 vezes menos eficiente do que seus equivalentes no infravermelho próximo.

A colaboração internacional produz um avanço

Conforme elucidado no artigo publicado na Nature Communications, um consórcio internacional de pesquisadores da Thorlabs' Crystalline Solutions em Santa Bárbara, CA, do Laboratório Christian Doppler para Espectroscopia no Infravermelho Médio da Universidade de Viena, na Áustria, do Instituto Nacional de Padrões e Technology (NIST) e a Universidade de Neuchâtel, na Suíça, alcançaram um marco importante ao apresentar os primeiros superespelhos genuínos de infravermelho médio do mundo. Esses superespelhos perdem apenas oito fótons em cada milhão, alcançando uma refletividade excepcional de 99,99923%. A obtenção de tal refletividade incomparável exigiu uma combinação de conhecimentos em materiais, design de espelhos e técnicas de fabricação.

Uma nova abordagem para revestimentos espelhados

Para concretizar esta geração pioneira de superespelhos de infravermelho médio, a equipe de pesquisa desenvolveu e demonstrou uma nova abordagem para revestimentos. Eles fundiram engenhosamente métodos convencionais de revestimento de película fina com materiais e técnicas semicondutores inovadores para superar os desafios inerentes do espectro do infravermelho médio.

Garrett Cole, gerente de tecnologia da equipe de soluções cristalinas da Thorlabs, elucidou: “Este empreendimento se baseia em nosso trabalho pioneiro em revestimentos cristalinos transferidos por substrato. Expandindo esta plataforma para comprimentos de onda mais longos, a nossa colaboração internacional tornou-se a primeira a revelar um método de revestimento no infravermelho médio caracterizado por perdas de absorção e dispersão inferiores a 5 partes por milhão.”

Aproveitando a excelente qualidade estrutural da epitaxia de feixe molecular, um processo sofisticado empregado na fabricação de vários dispositivos semicondutores, os pesquisadores geraram multicamadas monocristalinas de GaAs/AlGaAs praticamente desprovidas de absorção e dispersão. Este material inicial foi posteriormente transformado em espelhos de alto desempenho usando técnicas avançadas de microfabricação, incluindo ligação de “fusão” direta em revestimentos de interferência de película fina não cristalinos convencionais de alta qualidade desenvolvidos na Universidade de Neuchâtel.

Medição precisa valida desempenho superior

A fabricação desses espelhos inovadores foi apenas metade do desafio. Medições rigorosas foram fundamentais para validar seu desempenho superior. Gar-Wing Truong, cientista-chefe da Thorlabs Crystalline Solutions, observou: “Foi um imenso esforço colaborativo reunir o equipamento e a experiência necessários para demonstrar conclusivamente perdas totais tão baixas quanto 7,7 partes por milhão, um nível seis vezes superior a qualquer convencional. técnica de revestimento no infravermelho médio alcançada até agora.”

Lukas Perner, coautor principal e cientista da Universidade de Viena, acrescentou: “Como co-inventor deste paradigma de revestimento inovador, foi emocionante e gratificante submeter estes superespelhos a testes rigorosos. Nossos esforços coletivos no pioneirismo na tecnologia de espelhos e no emprego de métodos avançados de caracterização culminaram na revelação de seu desempenho extraordinário, anunciando uma nova era no espectro do infravermelho médio.”

Implicações para detecção ambiental e espectroscopia

Uma aplicação imediata desses inovadores superespelhos de infravermelho médio é o seu potencial para aumentar significativamente a sensibilidade dos dispositivos ópticos usados para medir vestígios de gases. Os espectrômetros de anel de cavidade (CRDS), capazes de detectar e quantificar quantidades minúsculas de marcadores ambientais críticos, como o monóxido de carbono, podem se beneficiar imensamente com esse avanço. Numa experiência de prova de conceito que submeteu estes superespelhos a testes rigorosos, os químicos investigadores do NIST, Adam Fleisher e Michelle Bailey, demonstraram o seu desempenho superior, superando as actuais tecnologias de ponta.

Michelle Bailey afirmou: “Os espelhos de baixa perda facilitam a obtenção de comprimentos de caminho óptico notavelmente estendidos em dispositivos compactos. Neste contexto, é o mesmo que comprimir a distância entre Filadélfia e Nova Iorque num único metro. Isto constitui uma vantagem fundamental para a espectroscopia ultra-sensível no espectro do infravermelho médio, incluindo a medição de radioisótopos, que têm importância na ciência forense nuclear e na datação por carbono.”

Referência: “Superespelhos de infravermelho médio com sutileza 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 e Garrett D. Cole, 6 de dezembro de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-43367-z

Perguntas frequentes (FAQs) sobre superespelhos de infravermelho médio

Qual é o significado de alcançar a refletividade 99.99923% em superespelhos de infravermelho médio?

A obtenção da refletividade 99.99923% em superespelhos de infravermelho médio é altamente significativa porque permite maior precisão na detecção de gases ambientais e em aplicações industriais. Esses superespelhos permitem medições mais precisas de gases residuais relacionados às mudanças climáticas e aos biocombustíveis, bem como melhor desempenho em tarefas como usinagem a laser e nanofabricação.

Como a refletividade do infravermelho médio se compara a outras tecnologias de espelho?

A refletividade do infravermelho médio, em 99.99923%, representa um salto substancial na tecnologia de espelhos. Em comparação, os espelhos convencionais no infravermelho médio normalmente perdem cerca de 1 em cada 10.000 fótons. Alcançar uma refletividade quase perfeita no espectro do infravermelho médio tem sido um desafio há muito tempo, e esse avanço supera as capacidades anteriores por uma margem significativa.

O que torna esses superespelhos de infravermelho médio únicos?

Esses superespelhos de infravermelho médio são distintos devido à sua abordagem inovadora aos revestimentos, que combina técnicas convencionais de revestimento de película fina com materiais e métodos semicondutores avançados. Esta fusão de tecnologias supera as limitações inerentes ao espectro do infravermelho médio, resultando em superespelhos com refletividade sem precedentes.

Quais aplicações práticas podem se beneficiar desses superespelhos?

Esses superespelhos têm aplicações imediatas na melhoria da sensibilidade de dispositivos ópticos usados para medir vestígios de gases, particularmente em detecção ambiental. Eles podem melhorar o desempenho de dispositivos como espectrômetros de cavidade ringdown (CRDS), permitindo a detecção e quantificação de pequenas quantidades de marcadores ambientais cruciais, como o monóxido de carbono. Além disso, eles têm aplicações potenciais em áreas como ciência forense nuclear e datação por carbono.

Quem foram os principais colaboradores desta pesquisa?

Este avanço em superespelhos de infravermelho médio foi alcançado através de uma colaboração internacional envolvendo pesquisadores de várias instituições, incluindo Soluções Cristalinas da Thorlabs em Santa Bárbara, CA, o Laboratório Christian Doppler para Espectroscopia de Infravermelho Médio na Universidade de Viena, na Áustria, o Laboratório Nacional dos EUA Instituto de Padrões e Tecnologia (NIST) e a Universidade de Neuchâtel na Suíça. A sua experiência combinada em materiais, design de espelhos e processos de fabricação desempenhou um papel crucial no sucesso deste projeto.

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5 comentários

Jornada Cara Dezembro 25, 2023 - 7:19 am

avanço! espelhos @99.99923% refletividade? uau! Sensação ambiental e mudança de jogo da indústria. #SuperCool

Responder
FinExpert42 Dezembro 25, 2023 - 8:11 am

Sensor de gás mais preciso? Monóxido de carbono? Um grande negócio! A refletividade no mundo dos espelhos é importante!

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CarLover123 Dezembro 25, 2023 - 5:37 pm

espelhos técnicos indo a lugares, coisas de laser também! palavras científicas malucas _xD83E__xDD2F_

Responder
PolTalker Dezembro 25, 2023 - 11:35 pm

Colaboração internacional FTW! Coisas que mudam o mundo acontecem quando as pessoas trabalham juntas! _xD83C__xDF0D_✌️

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CryptoEconPol Dezembro 26, 2023 - 1:59 am

espere, infravermelho médio melhor que infravermelho próximo? isso é loucura! a ciência é demais!

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