Terahertz-stråling - også kendt som submillimeterstråling, kan trænge igennem mange ikke-metalliske materialer og detektere signaturer af specifikke molekyler. På grund af deres interessante egenskaber kan de bruges i flere applikationer. De fleste terahertz-enheder, der i øjeblikket er i brug, er imidlertid dyre, langsomme, omfangsrige, kræver vakuumsystemer og fungerer ved ekstremt lave temperaturer, hvilket gør det vanskeligt at udvikle enheder, der registrerer og skaber billeder fra terahertz bølger.
Nu MIT videnskabsmænd i samarbejde med University of Minnesota og Samsung, har udviklet et billigt terahertz-kamera. Dette nye kamera kan registrere terahertz-impulser hurtigt, med høj følsomhed og ved stuetemperatur og -tryk. Desuden kan den samtidig fange information om orienteringen eller "polariseringen" af bølgerne i realtid, hvilket eksisterende enheder ikke kan.
Asymmetriske molekyleholdige materialer kan identificeres, eller deres overfladetopografi kan fastslås ved hjælp af denne information.
Kvanteprikker, brugt i den nye teknologi, er for nylig blevet opdaget at udsende synligt lys, når det aktiveres af terahertz-vibrationer. Derefter kan det synlige lys observeres med det blotte øje og fanges af en enhed, der ligner detektoren på en almindelig elektronisk værelse.
Forskere udtænkte to forskellige enheder: Den ene bruger kvanteprikkens evne til at konvertere terahertz-impulser til synligt lys. Den anden producerer billeder, der viser polarisationstilstanden af terahertz-bølgerne.
Det nye "kamera" består af flere lag og blev skabt ved hjælp af industristandard fremstillingsprocesser svarende til dem for mikrochips. Substratet er dækket af et lag af lysemitterende kvantepunktmateriale, efterfulgt af et lag af guld nanoskala parallelle linjer opdelt af små spalter. Endelig en CMOS-chip bruges til at skabe et billede. Et polarimeter, der ligner polarisationsdetektorens, kan detektere polariseringen af indkommende stråler ved at bruge ringformede spalter i nanoskala.
Professor i kemi Keith Nelson sagde, "Fotonerne fra terahertz-stråling har ekstremt lav energi, hvilket gør dem svære at opdage. Så det, denne enhed gør, er at konvertere den lille bitte fotonenergi til noget synligt, som er nemt at opdage med et almindeligt kamera."
Under eksperimenter registrerede kameraet terahertz-impulser ved lavintensitetsniveauer, der overgik evnen til nutidens store og dyre systemer. Desuden viser den også detektorens muligheder ved at tage terahertz-belyste billeder af nogle af de strukturer, der bruges i deres enheder.
Forskere bemærkede, "De har knækket terahertz-pulsdetektionsproblemet med deres nye arbejde, manglen på gode kilder forbliver - og det arbejdes på af mange forskningsgrupper rundt om i verden."
"Terahertz-kilden, der bruges i den nye undersøgelse, er en stor og besværlig række af lasere og optiske enheder, som ikke let kan skaleres til praktiske applikationer, men nye kildebaserede mikroelektroniske teknikker er godt under udvikling."
"Jeg tror, det er det hastighedsbegrænsende trin: Kan du lave [terahertz]-signalerne på en let måde, der ikke er dyr? Men der kommer ingen spørgsmål."
Sang-Hyun Oh, en medforfatter af papiret og en McKnight-professor i elektro- og computerteknik ved University of Minnesota, tilføjer det mens nuværende versioner af terahertz-kameraer koster titusindvis af dollars, gør den billige karakter af CMOS-kameraer, der bruges til dette system, det "et stort skridt fremad mod at bygge et praktisk terahertz-kamera."
Selvom kamerasystemet stadig er langt fra kommercialisering, bruger forskerne den nye laboratorieenhed, når de har brug for en hurtig måde at opdage terahertz-stråling.
Forskerholdet omfattede Daehan Yoo ved University of Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi og Jaime Peraire ved MIT; Chan-Wook Baik og Kyung-Sang Cho ved Samsung Advanced Institute of Technology; og Aaron Lindenberg ved Stanford University. Arbejdet blev støttet af US Army Research Office gennem MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, Samsung Global Research Outreach Program og Center for Energy Efficient Research Science.
Journal Reference:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Et rumtemperaturpolarisationsfølsomt CMOS terahertz-kamera baseret på kvantepunkt-forstærket terahertz-til-synlig foton-opkonvertering. Nat. Nanoteknologi. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
