Terahertz-Strahlung – auch Submillimeterstrahlung genannt – kann viele nichtmetallische Materialien durchdringen und Signaturen bestimmter Moleküle erkennen. Aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften können sie in mehreren Anwendungen eingesetzt werden. Die meisten derzeit verwendeten Terahertz-Geräte sind jedoch teuer, langsam, sperrig, erfordern Vakuumsysteme und arbeiten bei extrem niedrigen Temperaturen, was die Entwicklung von Geräten zur Erkennung und Erstellung von Bildern erschwert Terahertz-Wellen.
Jetzt, MIT Wissenschaftler, in Zusammenarbeit mit der University of Minnesota und Samsung haben eine kostengünstige Terahertz-Kamera entwickelt. Diese neue Kamera kann Terahertz-Pulse schnell, mit hoher Empfindlichkeit und bei Raumtemperatur und -druck erfassen. Darüber hinaus kann es gleichzeitig Informationen über die Ausrichtung oder „Polarisation“ der Wellen in Echtzeit erfassen, was mit vorhandenen Geräten nicht möglich ist.
Anhand dieser Informationen können asymmetrische molekülhaltige Materialien identifiziert oder deren Oberflächentopographie ermittelt werden.
QuantendotsKürzlich wurde entdeckt, dass die in der neuen Technologie verwendeten Moleküle sichtbares Licht aussenden, wenn sie durch Terahertz-Schwingungen aktiviert werden. Dann kann das sichtbare Licht mit dem bloßen Auge beobachtet und von einem Gerät erfasst werden, das dem Detektor einer normalen Elektronik ähnelt Kamera.
Wissenschaftler haben zwei verschiedene Geräte entwickelt: Das eine nutzt die Fähigkeit des Quantenpunkts, Terahertz-Impulse in sichtbares Licht umzuwandeln. Der andere erzeugt Bilder, die den Polarisationszustand der Terahertzwellen zeigen.
Die neue „Kamera“ besteht aus mehreren Schichten und wurde mit branchenüblichen Herstellungsverfahren ähnlich denen für Mikrochips erstellt. Das Substrat ist mit einer Schicht aus lichtemittierendem Quantenpunktmaterial bedeckt, gefolgt von einer Schicht aus parallelen Goldlinien im Nanomaßstab, die durch winzige Schlitze unterteilt sind. Schließlich, a CMOS-Chip wird verwendet, um ein Bild zu erstellen. Ein Polarimeter, das dem Polarisationsdetektor ähnelt, kann mithilfe ringförmiger nanoskaliger Schlitze die Polarisation einfallender Strahlen erfassen.
Chemieprofessor Keith Nelson sagte: „Die Photonen der Terahertz-Strahlung haben eine extrem niedrige Energie und sind daher schwer zu erkennen. Was dieses Gerät also tut, ist, diese winzige Photonenenergie in etwas Sichtbares umzuwandeln, das mit einer normalen Kamera leicht zu erkennen ist.“
Während der Experimente entdeckte die Kamera Terahertz-Impulse mit geringer Intensität, die die Leistungsfähigkeit heutiger großer und teurer Systeme überstiegen. Darüber hinaus zeigt es auch die Fähigkeiten des Detektors, indem es mit Terahertz beleuchtete Bilder einiger der in ihren Geräten verwendeten Strukturen aufnimmt.
Wissenschaftler stellten fest, „Sie haben mit ihrer neuen Arbeit das Problem der Terahertz-Pulserkennung gelöst, der Mangel an guten Quellen bleibt bestehen – und viele Forschungsgruppen auf der ganzen Welt arbeiten daran.“
„Die in der neuen Studie verwendete Terahertz-Quelle ist eine große und umständliche Reihe von Lasern und optischen Geräten, die nicht einfach auf praktische Anwendungen skaliert werden können, aber neue, auf Quellen basierende mikroelektronische Techniken befinden sich bereits in der Entwicklung.“
„Ich denke, das ist der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt: Können Sie die [Terahertz-]Signale auf einfache Weise erzeugen, die nicht teuer ist? Aber es kommt keine Frage.“
Sang-Hyun Oh, Mitautor des Artikels und McKnight-Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der University of Minnesota, fügt das hinzu Während aktuelle Versionen von Terahertz-Kameras Zehntausende von Dollar kosten, ist die Kostengünstigkeit der für dieses System verwendeten CMOS-Kameras „ein großer Schritt vorwärts in Richtung der Entwicklung einer praktischen Terahertz-Kamera“.
Auch wenn das Kamerasystem noch weit von der Kommerzialisierung entfernt ist, nutzen Wissenschaftler das neue Laborgerät, wenn sie eine schnelle Möglichkeit zum Nachweis von Terahertz-Strahlung benötigen.
Zum Forschungsteam gehörten Daehan Yoo von der University of Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi und Jaime Peraire am MIT; Chan-Wook Baik und Kyung-Sang Cho am Samsung Advanced Institute of Technology; und Aaron Lindenberg an der Stanford University. Die Arbeit wurde vom US Army Research Office über das MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, das Samsung Global Research Outreach Program und das Center for Energy Efficient Research Science unterstützt.
Journal Referenz:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Eine bei Raumtemperatur polarisationsempfindliche CMOS-Terahertz-Kamera, die auf der quantenpunktverstärkten Aufwärtskonvertierung von Terahertz-in-sichtbare Photonen basiert. Nat. Nanotechnologie. (2022). zurück 10.1038/s41565-022-01243-9
