상온에서 중적외선(MIR, mid-infrared)을 감지할 수 있는 새로운 방법

상온에서 중적외선(MIR, mid-infrared)을 감지할 수 있는 새로운 방법

중적외선(MIR, mid-infrared)은 눈에 보이지 않는 빛으로 파장영역은 2.5 ~ 50㎛이며, 주로 1,000도 이하의 온도에서 검측하고 있습니다. 많은 분자의 주요 흡수 스펙트럼이 이 파장 영역대에 집중되어 스펙트럼 분석을 통한 분자의 성분을 알아내야 하는 분야인 천문학, 의학, 국방, 통신 등에 매우 유용합니다. 하지만 현재의 검측 방법은 극저온을 유지하여야 하기 때문에 비용과 검측장비의 부피가 큽니다. 버밍엄 대학교와 케임브리지 대학교의 연구팀은 이 중적외선(MIR, mid-infrared)을 극저온이 아닌 상온에서 감지할 수 있는 연구결과를 8월 28일 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 발표하였습니다.

 

목차

중적외선이란?

실온에서 중적외선을 감지하는 새로운 방법

MIRVAL 개발

Contents

 

중적외선이란?

전자파의 종류

중적외선(MIR, mid-infrared)의 파장 영역은 2.5 ~ 50㎛ 대역으로 1,000도 이하 온도에서 복사체의 파장영역에 해당하며(아래 그림 참조), 이러한 물리적인 특성이 복사열을 감지하여 열분포 영상을 얻는 열화상 기술에서 중적외선을 검측하는 것의 중요한 이유입니다.

많은 분자의 주요 흡수스펙트럼이 이 파장 영역대에 집중되어 있기에 흡수스펙트럼 분석을 통한 분자의 성분을 알아내는 데 매우 유용합니다. 때문에 중적외선(MIR, mid-infrared) 검측은 화학 및 생물학적 감지, 환경 및 위험물질 모니터링, 천문학, 의학, 국방, 통신, 보안 등의 수많은 분야에서 많은 응용부분을 가지고 있습니다.

 

 

실온에서 중적외선을 감지하는 새로운 방법

버밍엄 대학교와 케임브리지 대학교의 연구팀은 양자 시스템을 사용하여 실온에서 중적외선(MIR, mid-infrared) 빛을 감지하는 새로운 방법을 개발했습니다. 8월 28일 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 발표된 이 연구는 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소에서 수행되었습니다. 양자 시스템을 활용한 이 방법은 분자 방출기를 사용해 저에너지 중적외선 광자를 고에너지 가시 광자로 변환했습니다.

이 혁신 기술은 과학자들이 실온에서 단일 분자 수준의 중적외선(MIR, mid-infrared)을 감지하고 분광학을 수행할 수 있게 되며, 과학자들이 화학적 및 생물학적 분자의 운동을 관찰할 수 있게 됩니다.

분자 내 원자 사이의 거리를 유지하는 결합은 스프링처럼 진동할 수 있으며 이러한 진동은 매우 높은 주파수에서 공명합니다. 이러한 스프링은 사람의 눈에는 보이지 않는 중적외선 영역의 빛에 의해 자극되고, 실온에서 이 스프링은 무작위로 움직입니다. 즉, 중적외선을 감지하는 데 있어 주요 과제는 이러한 열 잡음(thermal noise)을 피하는 것입니다. 현재 사용되는 중적외선 감지기는 냉각된 반도체 장치에 의존하고 있고, 이 장치들은 에너지 집약적이고 부피가 큽니다.

우리 연구는 실온에서 이 빛을 감지하는 새롭고 흥미로운 방법을 제시합니다.가장 어려운 점은 수백 나노미터에 달하는 가시광선 영역의 파장, 1 나노미터 미만의 분자 진동, 1만 나노미터에 달하는 중적외선(MIR, mid-infrared) 파장 등 세 가지 서로 다른 길이 척도를 통합하는 것이었고 이를 단일 플랫폼으로 통합하여 효과적으로 결합하였습니다.

로힛 치카라디(Rohit Chikkaraddy) 박사 / 연구 주저자

 

 

 

 

 

MIRVAL 개발

MIRVAL(MIR Vibrationally-Assisted Luminescent)

 

이 기술은 MIRVAL(MIR Vibrationally-Assisted Luminescent)이라고 합니다. 중적외선(MIR, mid-infrared)과 가시광선 모두 관찰 가능한 분자를 사용하였습니다. 연구팀은 분자 방출기를 통해 중적외선과 가시광선 범위 모두에서 공명하는 매우 작은 plasmonic cavity을 조립할 수 있었고, 분자 진동 상태와 전자 상태가 상호 작용할 수 있도록 추가로 설계하여 중적외선(MIR, mid-infrared) 빛을 증폭된 가시광선 발광으로 효율적으로 변환했습니다.

빛을 가두어 금속 면에 단일 원자로 형성되는 매우 작은 공동인 피코공동(picocavities)의 생성을 통해 연구원들은 1제곱 나노미터 미만의 극한의 빛을 가두는 부피를 달성할 수 있었습니다.

이 획기적인 개발은 일반적으로 단일 분자 수준에서는 접근할 수 없는 적외선 분자 진동을 관찰할 수 있습니다. 이를 응용하면 실시간 가스 감지, 의료 진단, 천문 조사 및 양자 통신과 같은 다양한 용도로 사용될 수 있고, 실온에서 가능하다는 것을 응용하여 이용 가능한 분야를 탐색하고 이 분야에서 추가 연구를 수행하는 것이 훨씬 더 쉽게 됩니다.

Contents

Date : August 28, 2023

Source : University of Birmingham

Journal Referance : Single-molecule mid-infrared spectroscopy and detection through vibrationally assisted luminescence.