Wide-field mid- to long-wave infrared imaging with undetected photons
Questo articolo dimostra l'imaging nel medio-lungo infrarosso a campo largo (6–10 µm) mediante imaging quantistico con fotoni non rilevati tramite phase-matching non collineare in un cristallo di AgGaS₂, ottenendo un funzionamento a temperatura ambiente privo di rumore di fondo con risoluzione e tempi di acquisizione significativamente superiori ai rilevatori convenzionali.
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Vedere il mondo nella luce infrarossa rivela uno strato nascosto della realtà, dove il calore di una cellula vivente o la firma chimica di una molecola diventano visibili. Questa parte dello spettro è uno strumento potente per gli scienziati, offrendo un modo per identificare i materiali attraverso le loro uniche "impronte digitali" senza la necessità di etichettarli con coloranti o marcatori. Tuttavia, catturare queste immagini è stato a lungo un compito difficile. La luce infrarossa è dominata dal bagliore termico dell'ambiente stesso; a temperatura ambiente, tutto irradia un rumore di fondo che annega i segnali deboli. Per vedere chiaramente, le telecamere tradizionali richiedono spesso sensori costosi e specializzati che devono essere raffreddati a temperature criogeniche, e anche allora, il processo è lento e limitato da questo schiacciante calore di fondo.
Un approccio diverso è emerso, che si basa su una strana proprietà della luce nota come interferenza quantistica. Invece di cercare di rilevare i fotoni infrarossi che rimbalzano su un oggetto, questo metodo utilizza essi solo come un messaggero. La tecnica consiste nel dividere un fascio di luce in due coppie collegate: una parte viaggia nello spettro del visibile, che i nostri occhi e le normali telecamere possono vedere, mentre l'altra viaggia nell'infrarosso. Questi due fasci nascono insieme e rimangono connessi in un modo che li rende indistinguibili l'uno dall'altro. Se il fascio infrarosso interagisce con un oggetto, cambia il comportamento del suo partner visibile, anche se il fascio visibile non ha mai toccato l'oggetto. Misurando la luce visibile, gli scienziati possono ricostruire l'immagine di ciò che la luce infrarossa invisibile ha incontrato, eludendo efficacementmente la necessità di rilevare direttamente i fotoni infrarossi. Ciò significa che l'immagine è immune dal rumore termico che solitamente affligge le telecamere a infrarossi.
I ricercatori dell'Imperial College London hanno ora preso questo concetto e lo hanno ampliato significativamente, dimostrando un modo per creare immagini a campo largo nell'intervallo dell'infrarosso a medio-lunga onda, specificamente tra 6 e 10 micrometri. Questa è una regione cruciale per l'analisi scientifica, che copre le lunghezze d'onda in cui molti importanti legami chimici assorbono la luce. Nel loro esperimento, il team ha utilizzato un cristallo di tiogallato d'argento per generare queste coppie di luce collegate. Hanno disposto la configurazione in modo che il fascio infrarosso, che chiamano "idler", passasse attraverso un campione, mentre il fascio visibile "signal" fosse diretto verso una normale telecamera al silicio. Poiché la luce infrarossa non veniva mai rilevata dalla telecamera, il sistema evitava il rumore di fondo che tipicamente limita tali misurazioni. I ricercatori hanno scoperto che questo metodo permetteva di rilevare la luce infrarossa a livelli almeno cento volte più deboli rispetto a quanto sia possibile con i migliori rilevatori standard a infrarossi operanti a temperatura ambiente.
Il team ha raggiunto un alto livello di dettaglio nelle sue immagini, risolvendo più di 8.000 punti distinti attraverso il campo visivo. A una lunghezza d'onda di 8 micrometri, potevano distinguere caratteristiche piccole quanto 297 micrometri. Per testare il sistema, hanno posizionato maschere metalliche con schemi specifici nel percorso del fascio infrarosso. La telecamera, guardando solo la luce visibile, ha ricostruito con successo le forme di queste maschere, rivelando i fori e le aree solide con chiarezza. I ricercatori hanno dimostrato di poter sintonizzare il sistema per l'imaging a diverse lunghezze d'onda nell'intervallo tra 6 e 10 micrometri semplicemente regolando l'angolo del cristallo e il colore del laser utilizzato per pompare il cristallo. Questa flessibilità suggerisce che il metodo potrebbe essere adattato per mirare a specifiche firme chimiche in vari materiali.
La velocità è stata un altro fattore determinante per il loro successo. Il team ha dimostrato due modi per elaborare i dati. Il primo metodo consisteva nel prendere una serie di immagini mentre si spostava lentamente la fase della luce, un processo che richiedeva circa dieci secondi per fotogramma e produceva immagini di alta qualità. Il secondo metodo utilizzava un singolo scatto per ricostruire l'immagine, riducendo il tempo di acquisizione a soli dieci secondi per l'intera immagine, sebbene con un leggero compromesso nella qualità dell'immagine. Questa velocità è un miglioramento drammatico rispetto ai metodi tradizionali di spettroscopia a infrarossi, che possono impiegare ore per produrre un'immagine simile. I risultati indicano che è possibile eseguire un imaging veloce, chiaro e spectralmente selettivo nell'infrarosso senza la necessità di rilevatori raffreddati o apparecchiature complesse. Questo progresso apre la porta a nuove applicazioni in biologia e chimica, dove la capacità di vedere le strutture molecolari rapidamente e senza rumore di fondo potrebbe trasformare il modo in cui gli scienziati analizzano i campioni.
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