Terahertsisäteily, joka tunnetaan myös nimellä submillimetrisäteily, voi tunkeutua moniin ei-metallisiin materiaaleihin ja havaita tiettyjen molekyylien allekirjoituksia. Mielenkiintoisten ominaisuuksiensa ansiosta niitä voidaan käyttää useissa sovelluksissa. Suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista terahertsilaitteista on kuitenkin kalliita, hitaita, tilaa vieviä, vaativat tyhjiöjärjestelmiä ja toimivat erittäin alhaisissa lämpötiloissa, mikä vaikeuttaa sellaisten laitteiden kehittämistä, jotka havaitsevat ja luovat kuvia terahertsiaallot.
Nyt, MIT tutkijat yhteistyössä University of Minnesota ja Samsung ovat kehittäneet edullisen terahertsikameran. Tämä uusi kamera pystyy havaitsemaan terahertsipulssit nopeasti, korkealla herkkyydellä ja huoneenlämmössä ja paineessa. Lisäksi se voi samanaikaisesti kaapata tietoa aaltojen suunnasta tai "polarisaatiosta" reaaliajassa, mitä nykyiset laitteet eivät pysty.
Tämän tiedon avulla voidaan tunnistaa epäsymmetrisiä molekyylejä sisältäviä materiaaleja tai selvittää niiden pinnan topografia.
Kvanttipisteetuudessa tekniikassa käytettyjen, on hiljattain havaittu säteilevän näkyvää valoa terahertsivärähtelyn aktivoituessa. Sitten näkyvää valoa voidaan tarkkailla paljaalla silmällä ja siepata laitteella, joka muistuttaa tavallisen elektronisen ilmaisinta. kamera.
Tutkijat kehittivät kaksi erilaista laitetta: Toinen käyttää kvanttipisteen kykyä muuntaa terahertsipulssit näkyväksi valoksi. Toinen tuottaa kuvia, joissa näkyy terahertsiaaltojen polarisaatiotila.
Uusi "kamera" koostuu useista kerroksista, ja se luotiin alan standardien mukaisilla valmistusmenetelmillä, jotka ovat samanlaisia kuin mikrosiruille. Substraatti on peitetty kerroksella valoa emittoivaa kvanttipistemateriaalia, jota seuraa kerros kultaisia nanomittakaavan yhdensuuntaisia viivoja jaettuna pienillä rakoilla. Lopuksi a CMOS-siru käytetään kuvan luomiseen. Polarimetri, joka on samanlainen kuin polarisaatiotunnistin, voi havaita saapuvien säteiden polarisaatiota käyttämällä renkaan muotoisia nanomittakaavaisia rakoja.
Kemian professori Keith Nelson sanoi: "Terahertsisäteilyn fotoneilla on erittäin alhainen energia, minkä vuoksi niitä on vaikea havaita. Joten tämä laite muuttaa tuon pienen pienen fotonienergian joksikin näkyväksi, joka on helppo havaita tavallisella kameralla.
Kokeiden aikana kamera havaitsi matalan intensiteetin terahertsipulsseja, jotka ylittivät nykypäivän suurten ja kalliiden järjestelmien kyvyn. Lisäksi se näyttää myös ilmaisimen ominaisuudet ottamalla terahertsivalaistuja kuvia joistakin niiden laitteissa käytetyistä rakenteista.
Tiedemiehet huomauttivat, "He ovat murtaneet terahertsipulssin havaitsemisongelman uudella työllään, hyvien lähteiden puute on edelleen olemassa - ja sitä työskentelevät monet tutkimusryhmät ympäri maailmaa."
"Uudessa tutkimuksessa käytetty terahertsilähde on suuri ja hankala valikoima lasereita ja optisia laitteita, joita ei voida helposti skaalata käytännön sovelluksiin, mutta uusiin lähteisiin perustuvat mikroelektroniikkatekniikat ovat pitkälle kehitteillä."
"Luulen, että se on nopeutta rajoittava askel: voitko tehdä [terahertsi]-signaaleja helposti, mutta ei kallista? Mutta kysymystä ei ole tulossa."
Sang-Hyun Oh, paperin toinen kirjoittaja ja McKnightin sähkö- ja tietokonetekniikan professori Minnesotan yliopistossa, lisää, että Vaikka nykyiset terahertsikameroiden versiot maksavat kymmeniä tuhansia dollareita, tässä järjestelmässä käytettyjen CMOS-kameroiden edullinen luonne tekee siitä "ison askeleen kohti käytännöllisen terahertsikameran rakentamista".
Vaikka kamerajärjestelmä on vielä kaukana kaupallistamisesta, tutkijat käyttävät uutta laboratoriolaitetta, kun he tarvitsevat nopean tavan havaita terahertsisäteilyä.
Tutkimusryhmään kuului Daehan Yoo Minnesotan yliopistosta; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi ja Jaime Peraire MIT:stä; Chan-Wook Baik ja Kyung-Sang Cho Samsung Advanced Institute of Technologyssa; ja Aaron Lindenberg Stanfordin yliopistossa. Työtä tuki Yhdysvaltain armeijan tutkimustoimisto MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, Samsung Global Research Outreach -ohjelman ja Energy Efficient Research Science -keskuksen kautta.
Lehden viite:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et ai. Huoneenlämpötilan polarisaatioherkkä CMOS-terahertsikamera, joka perustuu kvanttipistetehostettuun terahertseistä näkyvään fotoniin ylösmuuntoon. Nat. Nanotekniikka. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
