Notre compréhension du monde repose en grande partie sur notre connaissance de ses matériaux constitutifs et de leurs interactions. Les progrès récents dans les technologies de la science des matériaux ont accru notre capacité à identifier les substances chimiques et élargi les applications possibles.

L’une de ces technologies est la spectroscopie infrarouge, utilisée pour l’identification moléculaire dans divers domaines, tels que la médecine, la surveillance environnementale et la production industrielle. Cependant, même le meilleur outil existant, le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), utilise un élément chauffant comme source de lumière. Le bruit du détecteur qui en résulte dans la région infrarouge limite la sensibilité des appareils, tandis que les propriétés physiques entravent la miniaturisation.

Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par l’Université de Kyoto a résolu ce problème en intégrant une source de lumière quantique. Leur source innovante à ultra-large bande et à intrication quantique génère une gamme relativement plus large de photons infrarouges avec des longueurs d'onde comprises entre 2 μm et 5 μm. La recherche est publiée dans la revue Optica .

"Cette réussite ouvre la voie à une réduction spectaculaire de la taille du système et à une amélioration de la sensibilité du spectromètre infrarouge", déclare Shigeki Takeuchi du Département des sciences et de l'ingénierie électroniques.

Un autre éléphant dans la pièce avec les FTIR est la charge de transporter des équipements gigantesques et gourmands en énergie vers divers endroits pour tester les matériaux sur site. Takeuchi envisage un avenir dans lequel les scanners compacts, hautes performances et alimentés par batterie de son équipe mèneront à des applications faciles à utiliser dans divers domaines tels que la surveillance environnementale, la médecine et la sécurité.

"Nous pouvons obtenir des spectres pour divers échantillons cibles, notamment des solides durs, des plastiques et des solutions organiques. Shimadzu Corporation, notre partenaire qui a développé le dispositif de lumière quantique, a convenu que les spectres de mesure à large bande étaient très convaincants pour distinguer des substances pour une large gamme de échantillons", ajoute Takeuchi.

Bien que la lumière quantique intriquée ne soit pas nouvelle, la bande passante a jusqu’à présent été limitée à une plage étroite de 1 μm ou moins dans la région infrarouge. Cette nouvelle technique, quant à elle, utilise les propriétés uniques de la mécanique quantique, telles que la superposition et l'intrication, pour surmonter les limites des techniques conventionnelles.

Le dispositif de quasi-adaptation de phase gazouillé développé indépendamment par l'équipe génère une lumière quantique intriquée en exploitant le gazouillis (en modifiant progressivement la période d'inversion de polarisation d'un élément) pour générer des paires de photons quantiques sur une large bande passante.

"L'amélioration de la sensibilité de la spectroscopie infrarouge quantique et le développement de l'imagerie quantique dans la région infrarouge font partie de notre quête visant à développer des technologies quantiques réelles", déclare Takeuchi.

Plus d'informations : Toshiyuki Tashima et al, Spectroscopie infrarouge quantique ultra-large bande, Optica (2023). DOI :10.1364/OPTICA.504450

Informations sur le journal : Optique

Fourni par l'Université de Kyoto