A terahertz-sugárzás – más néven szubmilliméteres sugárzás – képes áthatolni számos nemfémes anyagon, és felismerni bizonyos molekulák jeleit. Érdekes tulajdonságaik miatt többféle alkalmazásban is használhatók. A jelenleg használatos terahertzes készülékek többsége azonban drága, lassú, terjedelmes, vákuumrendszert igényel, és rendkívül alacsony hőmérsékleten működik, ami megnehezíti az olyan eszközök fejlesztését, amelyek észlelik és létrehozzák a képeket. terahertz hullámok.
Most, MIT tudósok együttműködve a University of Minnesota és a Samsung alacsony költségű terahertzes kamerát fejlesztettek ki. Ez az új kamera gyorsan, nagy érzékenységgel, szobahőmérsékleten és nyomáson képes érzékelni a terahertzes impulzusokat. Ezen túlmenően, egyidejűleg képes a hullámok orientációjáról vagy „polarizációjáról” valós idejű információkat rögzíteni, amit a meglévő eszközök nem tudnak.
Az aszimmetrikus molekulát tartalmazó anyagok azonosíthatók, vagy felszíni topográfiájuk megállapítható ezen információk alapján.
KvantumpontokAz új technológiában használt anyagokról a közelmúltban fedezték fel, hogy látható fényt bocsátanak ki, ha terahertzes rezgések aktiválják. Ezután a látható fény szabad szemmel megfigyelhető, és egy hagyományos elektronikus detektorra emlékeztető eszközzel rögzíthető. szoba.
A tudósok két különböző eszközt dolgoztak ki: az egyik a kvantumpont azon képességét használja, hogy a terahertzes impulzusokat látható fénnyé alakítja. A másik a terahertz hullámok polarizációs állapotát bemutató képeket készít.
Az új „kamera” több rétegből áll, és a mikrochipekhez hasonló ipari szabvány gyártási eljárásokkal készült. A szubsztrátumot egy réteg fénykibocsátó kvantumpont anyag borítja, amelyet egy arany nanoméretű párhuzamos vonalak követnek, amelyeket apró rések osztanak fel. Végül a CMOS chip kép létrehozására használják. A polarizációs detektoréhoz hasonló polariméter gyűrű alakú nanoméretű rések segítségével képes érzékelni a bejövő sugarak polarizációját.
Keith Nelson kémiaprofesszor azt mondta: „A terahertz sugárzás fotonjai rendkívül alacsony energiájúak, ezért nehéz észlelni őket. Tehát ez az eszköz azt a kis fotonenergiát alakítja át láthatóvá, amit egy normál kamerával könnyű észlelni.”
A kísérletek során a kamera olyan alacsony intenzitású terahertzes impulzusokat észlelt, amelyek felülmúlták a mai nagy és drága rendszerek képességeit. Ezen túlmenően a detektor képességeit is mutatja azáltal, hogy terahertzes megvilágítású képeket készít a készülékeikben használt egyes szerkezetekről.
A tudósok megjegyezték, „Új munkájukkal megoldották a terahertz-impulzus-észlelési problémát, továbbra is hiányoznak a jó források – és ezen számos kutatócsoport dolgozik szerte a világon.”
"Az új tanulmányban használt terahertz-forrás lézerek és optikai eszközök nagy és nehézkes tömbje, amelyek nem skálázhatók könnyen a gyakorlati alkalmazásokhoz, de az új forrásokon alapuló mikroelektronikai technikák fejlesztés alatt állnak."
„Azt hiszem, ez a sebességkorlátozó lépés: meg tudod-e adni a [terahertzes] jeleket egyszerű módon, és nem drága? De nem kérdés.”
Sang-Hyun Oh, a cikk társszerzője és a McKnight villamos- és számítástechnikai professzora a Minnesotai Egyetemen, hozzáteszi Míg a terahertz kamerák jelenlegi verziói több tízezer dollárba kerülnek, az ehhez a rendszerhez használt CMOS-kamerák olcsó jellege „nagy előrelépést jelent a praktikus terahertz kamera építése felé”.
Annak ellenére, hogy a kamerarendszer még messze van a kereskedelmi forgalomba hozataltól, a tudósok akkor használják az új laboratóriumi eszközt, amikor gyors módszerre van szükségük a terahertz-sugárzás észlelésére.
A kutatócsoport tagja volt Daehan Yoo a Minnesotai Egyetemről; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi és Jaime Peraire az MIT-nél; Chan-Wook Baik és Kyung-Sang Cho a Samsung Advanced Institute of Technology-n; és Aaron Lindenberg a Stanford Egyetemen. A munkát az amerikai hadsereg kutatóirodája támogatta az MIT Katonai Nanotechnológiai Intézeten, a Samsung Global Research Outreach Programon és az Energiahatékony Kutatási Tudományos Központon keresztül.
Journal Reference:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Szobahőmérsékletre polarizációra érzékeny CMOS terahertz kamera, amely kvantumponttal továbbfejlesztett terahertz-látható foton felkonverzión alapul. Nat. Nanotechnol. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
