קרינת Terahertz - הידועה גם כקרינה תת-מילימטרית, יכולה לחדור חומרים לא מתכתיים רבים ולזהות חתימות של מולקולות ספציפיות. בשל התכונות המעניינות שלהם, ניתן להשתמש בהם במספר יישומים. עם זאת, רוב מכשירי הטרה-הרץ הנמצאים כיום בשימוש הם יקרים, איטיים, מגושמים, דורשים מערכות ואקום ופועלים בטמפרטורות נמוכות במיוחד, מה שמקשה על פיתוח מכשירים המזהים ויוצרים תמונות מ גלי טרהרץ.
עכשיו, MIT מדענים, בשיתוף עם ה אוניברסיטת מינסוטה וסמסונג, פיתחו מצלמת טרה-הרץ בעלות נמוכה. מצלמה חדשה זו יכולה לזהות פעימות טרה-הרץ במהירות, ברגישות גבוהה, ובטמפרטורת החדר ובלחץ. יתרה מכך, הוא יכול ללכוד בו-זמנית מידע על הכיוון, או ה"קיטוב", של הגלים בזמן אמת, מה שמכשירים קיימים אינם יכולים.
ניתן לזהות חומרים המכילים מולקולות א-סימטריות, או שניתן לברר את הטופוגרפיה של פני השטח שלהם באמצעות מידע זה.
נקודות קוונטיות, המשמשים בטכנולוגיה החדשה, התגלו לאחרונה כפולטים אור נראה כאשר מופעלים על ידי תנודות טרה-הרץ. לאחר מכן, ניתן לצפות באור הנראה בעין בלתי מזוינת וללכוד על ידי מכשיר הדומה לגלאי של מכשיר אלקטרוני רגיל חדר.
מדענים המציאו שני מכשירים שונים: האחד משתמש ביכולת של הנקודה הקוונטית להמיר פולסי טרה-הרץ לאור נראה. השני מייצר תמונות המציגות את מצב הקיטוב של גלי הטרה-הרץ.
ה"מצלמה" החדשה מורכבת מכמה שכבות ונוצרה תוך שימוש בתהליכי ייצור סטנדרטיים בתעשייה הדומים לאלו של שבבים. המצע מכוסה בשכבה של חומר נקודות קוונטי פולט אור, ואחריה שכבה של קווים מקבילים בקנה מידה ננו-זהב המחולקים בחריצים זעירים. לבסוף, א שבב CMOS משמש ליצירת תמונה. מד קוטביות, הדומה לזה של גלאי הקיטוב, יכול לזהות את הקיטוב של אלומות נכנסות באמצעות חריצים ננומטריים בצורת טבעת.
פרופסור לכימיה קית' נלסון אמר, "לפוטונים של קרינת טרה-הרץ יש אנרגיה נמוכה ביותר, מה שמקשה על זיהוים. אז מה שהמכשיר הזה עושה זה להמיר את אנרגיית הפוטון הקטנה הזו למשהו גלוי שקל לזהות במצלמה רגילה."
במהלך ניסויים, המצלמה זיהתה פעימות טרה-הרץ ברמות עצימות נמוכה שעלו על היכולת של המערכות הגדולות והיקרות של היום. יתרה מכך, הוא גם מראה את יכולות הגלאי על ידי צילום תמונות מוארות בטרה-הרץ של חלק מהמבנים המשמשים במכשיריהם.
מדענים ציינו, "הם פיצחו את בעיית זיהוי הדופק של terahertz עם העבודה החדשה שלהם, היעדר מקורות טובים נשאר - ועובדות עליו קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם".
"מקור הטרה-הרץ המשמש במחקר החדש הוא מערך גדול ומסורבל של לייזרים והתקנים אופטיים שלא ניתן להתאים בקלות ליישומים מעשיים, אך מקורות חדשים המבוססים על טכניקות מיקרו-אלקטרוניות נמצאות בפיתוח".
"אני חושב שזה השלב המגביל את התעריף: האם אתה יכול לעשות את האותות [טרה-הרץ] בצורה קלה שאינה יקרה? אבל שום שאלה לא מגיעה."
סאנג-היון הו, מחבר שותף של המאמר ופרופסור מקנייט להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת מינסוטה, מוסיף את זה בעוד שגרסאות קיימות של מצלמות טרה-הרץ עולות עשרות אלפי דולרים, האופי הזול של מצלמות CMOS המשמשות למערכת זו הופך אותה ל"צעד גדול קדימה לקראת בניית מצלמת טרה-הרץ מעשית".
למרות שמערכת המצלמות עדיין רחוקה ממסחור, מדענים משתמשים במכשיר המעבדה החדש כאשר הם צריכים דרך מהירה לזהות קרינת טרה-הרץ.
צוות המחקר כלל את Daehan Yoo מאוניברסיטת מינסוטה; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi, ו-Jaime Peraire ב-MIT; צ'אן-ווק באייק וקיונג-סאנג צ'ו במכון הטכנולוגי המתקדם של סמסונג; ואהרון לינדנברג באוניברסיטת סטנפורד. העבודה נתמכה על ידי משרד המחקר של צבא ארה"ב באמצעות מכון MIT לננו-טכנולוגיות חיילים, תוכנית Samsung Global Research Outreach והמרכז למדע מחקר יעיל באנרגיה.
עיון ביומן:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. מצלמת CMOS terahertz רגישה לקיטוב בטמפרטורת החדר המבוססת על המרת טרה-הרץ לפוטון גלוי עם שיפור בנקודות קוונטיות. נאט. ננוטכנול. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
