Η ακτινοβολία Terahertz - επίσης γνωστή ως ακτινοβολία υποχιλιοστών, μπορεί να διεισδύσει σε πολλά μη μεταλλικά υλικά και να ανιχνεύσει υπογραφές συγκεκριμένων μορίων. Λόγω των ενδιαφέρουσες ιδιότητές τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, η πλειονότητα των συσκευών terahertz που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι ακριβές, αργές, ογκώδεις, απαιτούν συστήματα κενού και λειτουργούν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας δύσκολη την ανάπτυξη συσκευών που ανιχνεύουν και δημιουργούν εικόνες από terahertz κύματα.
Τώρα, MIT επιστήμονες, σε συνεργασία με την Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και η Samsung, έχουν αναπτύξει μια χαμηλού κόστους κάμερα terahertz. Αυτή η νέα κάμερα μπορεί να ανιχνεύσει παλμούς terahertz γρήγορα, με υψηλή ευαισθησία και σε θερμοκρασία και πίεση δωματίου. Επιπλέον, μπορεί ταυτόχρονα να συλλάβει πληροφορίες σχετικά με τον προσανατολισμό ή την «πόλωση» των κυμάτων σε πραγματικό χρόνο, κάτι που δεν μπορούν οι υπάρχουσες συσκευές.
Μπορούν να αναγνωριστούν ασύμμετρα υλικά που περιέχουν μόρια ή να εξακριβωθεί η επιφανειακή τους τοπογραφία χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες.
Κβαντικές κουκκίδες, που χρησιμοποιείται στη νέα τεχνολογία, πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι εκπέμπει ορατό φως όταν ενεργοποιείται από δονήσεις terahertz. Στη συνέχεια, το ορατό φως μπορεί να παρατηρηθεί με γυμνό μάτι και να συλληφθεί από μια συσκευή που μοιάζει με τον ανιχνευτή ενός κανονικού ηλεκτρονικού φωτογραφική μηχανή.
Οι επιστήμονες επινόησαν δύο διαφορετικές συσκευές: Η μία χρησιμοποιεί την ικανότητα της κβαντικής κουκκίδας να μετατρέπει παλμούς terahertz σε ορατό φως. Το άλλο παράγει εικόνες που δείχνουν την κατάσταση πόλωσης των κυμάτων terahertz.
Η νέα «κάμερα» αποτελείται από πολλά στρώματα και δημιουργήθηκε με τη χρήση βιομηχανικών προτύπων διαδικασιών κατασκευής παρόμοιες με αυτές για μικροτσίπ. Το υπόστρωμα καλύπτεται με ένα στρώμα υλικού κβαντικής κουκκίδας που εκπέμπει φως, ακολουθούμενο από ένα στρώμα παράλληλων γραμμών νανοκλίμακας χρυσού που χωρίζονται με μικροσκοπικές σχισμές. Τέλος, α Τσιπ CMOS χρησιμοποιείται για τη δημιουργία εικόνας. Ένα πολόμετρο, το οποίο είναι παρόμοιο με αυτό του ανιχνευτή πόλωσης, μπορεί να ανιχνεύσει την πόλωση των εισερχόμενων δεσμών χρησιμοποιώντας σχισμές νανοκλίμακας σε σχήμα δακτυλίου.
Ο καθηγητής χημείας Keith Nelson είπε, «Τα φωτόνια της ακτινοβολίας terahertz έχουν εξαιρετικά χαμηλή ενέργεια, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον εντοπισμό τους. Έτσι, αυτό που κάνει αυτή η συσκευή είναι να μετατρέπει αυτή τη μικρή μικροσκοπική ενέργεια φωτονίων σε κάτι ορατό που είναι εύκολο να εντοπιστεί με μια κανονική κάμερα».
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, η κάμερα εντόπισε παλμούς terahertz σε επίπεδα χαμηλής έντασης που ξεπέρασαν την ικανότητα των σημερινών μεγάλων και ακριβών συστημάτων. Επιπλέον, δείχνει επίσης τις δυνατότητες του ανιχνευτή τραβώντας φωτογραφίες με φωτισμό terahertz ορισμένων από τις δομές που χρησιμοποιούνται στις συσκευές τους.
Οι επιστήμονες σημείωσαν, «Έχουν λύσει το πρόβλημα ανίχνευσης παλμών terahertz με τη νέα τους εργασία, η έλλειψη καλών πηγών παραμένει — και εργάζονται πάνω από πολλές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο».
«Η πηγή terahertz που χρησιμοποιήθηκε στη νέα μελέτη είναι μια μεγάλη και δυσκίνητη σειρά λέιζερ και οπτικών συσκευών που δεν μπορούν εύκολα να κλιμακωθούν σε πρακτικές εφαρμογές, αλλά οι μικροηλεκτρονικές τεχνικές που βασίζονται σε νέες πηγές είναι πολύ υπό ανάπτυξη».
«Νομίζω ότι αυτό είναι το βήμα περιορισμού του ρυθμού: Μπορείτε να κάνετε τα σήματα [terahertz] με έναν εύκολο τρόπο που δεν είναι ακριβός; Αλλά δεν έρχεται καμία ερώτηση».
Sang-Hyun Oh, συν-συγγραφέας της εργασίας και McKnight Καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, προσθέτει αυτό Ενώ οι σημερινές εκδόσεις των καμερών terahertz κοστίζουν δεκάδες χιλιάδες δολάρια, η φθηνή φύση των καμερών CMOS που χρησιμοποιούνται για αυτό το σύστημα το καθιστά "ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός προς την κατασκευή μιας πρακτικής κάμερας terahertz".
Παρόλο που το σύστημα της κάμερας απέχει ακόμα πολύ από την εμπορευματοποίηση, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τη νέα εργαστηριακή συσκευή όταν χρειάζονται έναν γρήγορο τρόπο ανίχνευσης ακτινοβολίας terahertz.
Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε τον Daehan Yoo στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα. Οι Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi και Jaime Peraire στο MIT. Chan-Wook Baik και Kyung-Sang Cho στο Samsung Advanced Institute of Technology. και ο Aaron Lindenberg στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Η εργασία υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Έρευνας Στρατού των ΗΠΑ μέσω του Ινστιτούτου MIT για Στρατιωτικές Νανοτεχνολογίες, του Παγκόσμιου Προγράμματος Ερευνών Ερευνών της Samsung και του Κέντρου Ενεργειακά Αποδοτικής Έρευνας Επιστήμης.
Αναφορά στο περιοδικό:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Μια κάμερα CMOS terahertz ευαίσθητη στην πόλωση σε θερμοκρασία δωματίου που βασίζεται σε μετατροπή τεραχέρτζ σε ορατό φωτόνιο ενισχυμένη με κβαντικές κουκκίδες. Νατ. Νανοτεχνολ. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
