Terahertzstraling – ook bekend als submillimeterstraling, kan door veel niet-metalen materialen dringen en kenmerken van specifieke moleculen detecteren. Door hun interessante eigenschappen zijn ze voor meerdere toepassingen inzetbaar. De meeste terahertz-apparaten die momenteel in gebruik zijn, zijn echter duur, traag en omvangrijk, vereisen vacuümsystemen en werken bij extreem lage temperaturen, waardoor het moeilijk wordt om apparaten te ontwikkelen die beelden detecteren en maken van terahertz golven.
Nu, MIT wetenschappers, in samenwerking met de University of Minnesota en Samsung hebben een goedkope terahertz-camera ontwikkeld. Deze nieuwe camera kan terahertz-pulsen snel detecteren, met een hoge gevoeligheid, en bij kamertemperatuur en druk. Bovendien kan het tegelijkertijd informatie over de oriëntatie, of ‘polarisatie’, van de golven in realtime vastleggen, wat bestaande apparaten niet kunnen.
Met behulp van deze informatie kunnen asymmetrische molecuulbevattende materialen worden geïdentificeerd, of kan hun oppervlaktetopografie worden vastgesteld.
Quantum dotsOnlangs is ontdekt dat ze, gebruikt in de nieuwe technologie, zichtbaar licht uitstralen wanneer ze worden geactiveerd door terahertz-trillingen. Vervolgens kan het zichtbare licht met het blote oog worden waargenomen en opgevangen door een apparaat dat lijkt op de detector van een gewone elektronische camera.
Wetenschappers hebben twee verschillende apparaten bedacht: het ene maakt gebruik van het vermogen van de quantum dot om terahertz-pulsen om te zetten in zichtbaar licht. De andere produceert beelden die de polarisatietoestand van de terahertz-golven laten zien.
De nieuwe ‘camera’ bestaat uit verschillende lagen en is gemaakt met behulp van industriestandaard productieprocessen die vergelijkbaar zijn met die voor microchips. Het substraat is bedekt met een laag lichtgevend quantum dot-materiaal, gevolgd door een laag gouden parallelle lijnen op nanoschaal, gescheiden door kleine spleten. Tenslotte een CMOS-chip wordt gebruikt om een afbeelding te maken. Een polarimeter, die vergelijkbaar is met die van de polarisatiedetector, kan de polarisatie van inkomende stralen detecteren door gebruik te maken van ringvormige spleten op nanoschaal.
Hoogleraar scheikunde Keith Nelson zei: “De fotonen van terahertzstraling hebben een extreem lage energie, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn. Wat dit apparaat dus doet, is die kleine fotonenenergie omzetten in iets zichtbaars dat gemakkelijk te detecteren is met een gewone camera.”
Tijdens experimenten detecteerde de camera terahertz-pulsen met lage intensiteitsniveaus die de mogelijkheden van de huidige grote en dure systemen te boven gingen. Bovendien toont het ook de mogelijkheden van de detector door met terahertz verlichte foto's te maken van enkele van de structuren die in hun apparaten worden gebruikt.
Wetenschappers merkten op, “Ze hebben het terahertz-pulsdetectieprobleem opgelost met hun nieuwe werk, het gebrek aan goede bronnen blijft bestaan – en er wordt door veel onderzoeksgroepen over de hele wereld aan gewerkt.”
"De terahertz-bron die in het nieuwe onderzoek wordt gebruikt, is een grote en omslachtige reeks lasers en optische apparaten die niet gemakkelijk kunnen worden geschaald naar praktische toepassingen, maar op nieuwe bronnen gebaseerde micro-elektronische technieken zijn volop in ontwikkeling."
“Ik denk dat dit de snelheidsbeperkende stap is: kun je de [terahertz] signalen op een gemakkelijke manier maken die niet duur is? Maar er komt geen vraag.”
Sang-Hyun Oh, co-auteur van het artikel en McKnight-hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Minnesota, voegt dat toe terwijl de huidige versies van terahertz-camera's tienduizenden dollars kosten, maakt het goedkope karakter van de CMOS-camera's die voor dit systeem worden gebruikt het "een grote stap voorwaarts in de richting van het bouwen van een praktische terahertz-camera."
Hoewel het camerasysteem nog ver verwijderd is van commercialisering, gebruiken wetenschappers het nieuwe laboratoriumapparaat wanneer ze een snelle manier nodig hebben om terahertzstraling te detecteren.
Het onderzoeksteam bestond uit Daehan Yoo van de Universiteit van Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi en Jaime Peraire bij MIT; Chan-Wook Baik en Kyung-Sang Cho bij het Samsung Advanced Institute of Technology; en Aaron Lindenberg aan de Stanford Universiteit. Het werk werd ondersteund door het US Army Research Office via het MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, het Samsung Global Research Outreach Program en het Center for Energy Efficient Research Science.
Journal Reference:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Een polarisatiegevoelige CMOS-terahertz-camera bij kamertemperatuur, gebaseerd op kwantumdot-verbeterde terahertz-naar-zichtbare foton-opconversie. nat. Nanotechnologie. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
