מכניקת הקוונטים פוגשת מדעי החומרים: גישה מהפכנית לזיהוי מולקולרי

אוניברסיטת קיוטו פיתחה ספקטרוסקופיה אינפרא אדום קוונטית עם רוחב פס רחב יותר.

הבנתנו את העולם תלויה באופן משמעותי בתפיסה שלנו בחומרים המרכיבים אותו ובאופן האינטראקציה ביניהם. ההתקדמות האחרונה במדעי החומרים שיפרה באופן דרמטי את יכולתנו לזהות חומרים כימיים והרחיבה את מגוון השימושים הפוטנציאליים.

טכנולוגיה אחת כזו היא ספקטרוסקופיה אינפרא אדומה, משמש לזיהוי מולקולרי בתחומים שונים, כגון ברפואה, ניטור סביבתי וייצור תעשייתי. עם זאת, אפילו הכלי הקיים הטוב ביותר – ה ספקטרומטר אינפרא אדום טרנספורמציה פורייה אוֹ FTIR – משתמש בגוף חימום כמקור האור שלו. רעש הגלאי שנוצר באזור האינפרא אדום מגביל את רגישות המכשירים, בעוד שתכונות פיזיקליות מעכבות מזעור.

חדשנות קוונטית בספקטרוסקופיה

כעת, צוות מחקר בראשות אוניברסיטת קיוטו טיפל בבעיה זו על ידי שילוב מקור אור קוונטי. המקור החדשני שלהם בפס רחב במיוחד ומסתבך קוונטי מייצר טווח רחב יותר יחסית של פוטונים אינפרא אדום עם אורכי גל בין 2 מיקרומטר ל-5 מיקרומטר.

"הישג זה מציב את הקרקע לצמצום דרמטי של המערכת ולשדרוג רגישות ספקטרומטר אינפרא אדום", אומר Shigeki Takeuchi מהמחלקה למדע והנדסת אלקטרוניקה.

פיל נוסף בחדר עם FTIRs הוא הנטל של הובלת ציוד בגודל ענק, זולל חשמל למקומות שונים לבדיקת חומרים באתר. Takeuchi רואה עתיד שבו הסורקים הקומפקטיים, בעלי הביצועים הגבוהים, המופעלים על ידי סוללות, יובילו ליישומים קלים לשימוש בתחומים שונים כגון ניטור סביבתי, רפואה ואבטחה.

"אנו יכולים להשיג ספקטרום עבור דגימות מטרה שונות, כולל מוצקים קשים, פלסטיק ופתרונות אורגניים. Shimadzu Corporation – השותף שלנו שפיתח את מכשיר האור הקוונטי – הסכים שספקטרום מדידת הפס הרחב היו משכנעים מאוד להבחין בין חומרים למגוון רחב של דגימות", מוסיף Takeuchi.

מכניקת קוונטים ויישומי פס רחב

למרות שאור קוונטי מסתבך אינו חדש, רוחב הפס הוגבל עד כה לטווח צר של 1 מיקרומטר או פחות באזור האינפרא אדום. טכניקה חדשה זו, בינתיים, משתמשת בתכונות הייחודיות של מכניקת הקוונטים – כגון סופרפוזיציה והסתבכות – כדי להתגבר על המגבלות של טכניקות קונבנציונליות.

הצוות פותח באופן עצמאי מכשיר התאמת מעין פאזה ציוץ יוצר אור מסתבך קוונטי על ידי רתימה צִרצוּר – שינוי בהדרגה של אלמנט תקופת היפוך הקיטוב – ליצור קוונטי פוטון זוגות על רוחב פס רחב.

"שיפור הרגישות של ספקטרוסקופיה קוונטית אינפרא אדום ופיתוח הדמיה קוונטית באזור האינפרא אדום הם חלק מהמסע שלנו לפתח טכנולוגיות קוונטיות בעולם האמיתי", מעיר Takeuchi.

המחקר מומן על ידי משרד החינוך, התרבות, הספורט, המדע והטכנולוגיה MEXT Q-LEAP, מחקר הליבה למדע וטכנולוגיה אבולוציונית, משרד הקבינט, ממשלת יפן, תוכנית הרחבת ההשקעות האסטרטגיות למחקר ופיתוח ציבורי/פרטי , המחקר המקדים למדע וטכנולוגיה עובריים, והחברה היפנית לקידום המדע.