Terahertz-stråling - også kjent som submillimeterstråling, kan penetrere mange ikke-metalliske materialer og oppdage signaturer til spesifikke molekyler. På grunn av deres interessante egenskaper kan de brukes i flere applikasjoner. Flertallet av terahertz-enheter som for tiden er i bruk, er imidlertid dyre, langsomme, klumpete, krever vakuumsystemer og opererer ved ekstremt lave temperaturer, noe som gjør det vanskelig å utvikle enheter som oppdager og lager bilder fra terahertz bølger.
Nå, MIT forskere, i samarbeid med University of Minnesota og Samsung, har utviklet et rimelig terahertz-kamera. Dette nye kameraet kan oppdage terahertz-pulser raskt, med høy følsomhet og ved romtemperatur og trykk. Dessuten kan den samtidig fange informasjon om orienteringen, eller "polariseringen" av bølgene i sanntid, noe eksisterende enheter ikke kan.
Asymmetriske molekylholdige materialer kan identifiseres, eller deres overflatetopografi kan fastslås ved hjelp av denne informasjonen.
Kvanteprikker, brukt i den nye teknologien, har nylig blitt oppdaget å sende ut synlig lys når de aktiveres av terahertz-vibrasjoner. Deretter kan det synlige lyset observeres med det blotte øye og fanges opp av en enhet som ligner detektoren til en vanlig elektronisk rom.
Forskere utviklet to forskjellige enheter: Den ene bruker kvanteprikkens evne til å konvertere terahertz-pulser til synlig lys. Den andre produserer bilder som viser polarisasjonstilstanden til terahertzbølgene.
Det nye "kameraet" består av flere lag og ble laget ved bruk av industristandard produksjonsprosesser som ligner på mikrobrikker. Substratet er dekket med et lag med lysemitterende kvantepunktmateriale, etterfulgt av et lag med parallelle linjer i gull på nanoskala delt av bittesmå spalter. Til slutt, a CMOS-brikke brukes til å lage et bilde. Et polarimeter, som ligner på polarisasjonsdetektoren, kan oppdage polarisasjonen til innkommende stråler ved å bruke ringformede nanoskala-spalter.
Professor i kjemi Keith Nelson sa, "Fotonene til terahertzstråling har ekstremt lav energi, noe som gjør dem vanskelige å oppdage. Så det denne enheten gjør er å konvertere den lille bitte lille fotonenergien til noe synlig som er lett å oppdage med et vanlig kamera."
Under eksperimenter oppdaget kameraet terahertz-pulser ved lavintensitetsnivåer som overgikk evnen til dagens store og dyre systemer. Dessuten viser den også detektorens evner ved å ta terahertz-opplyste bilder av noen av strukturene som brukes i enhetene deres.
Forskere bemerket, "De har tatt knekken på terahertz-pulsdeteksjonsproblemet med sitt nye arbeid, mangelen på gode kilder gjenstår - og det jobbes med mange forskningsgrupper rundt om i verden."
"Terahertz-kilden som brukes i den nye studien er et stort og tungvint utvalg av lasere og optiske enheter som ikke lett kan skaleres til praktiske applikasjoner, men nye kildebaserte mikroelektroniske teknikker er godt under utvikling."
«Jeg tror det er det hastighetsbegrensende trinnet: Kan du lage [terahertz]-signalene på en enkel måte som ikke er dyr? Men ingen spørsmål kommer."
Sang-Hyun Oh, en medforfatter av artikkelen og en McKnight-professor i elektro- og datateknikk ved University of Minnesota, legger til det mens dagens versjoner av terahertz-kameraer koster titusenvis av dollar, gjør den rimelige naturen til CMOS-kameraer som brukes for dette systemet det "et stort skritt fremover mot å bygge et praktisk terahertz-kamera."
Selv om kamerasystemet fortsatt er langt fra kommersialisering, bruker forskere den nye laboratorieenheten når de trenger en rask måte å oppdage terahertz-stråling.
Forskerteamet inkluderte Daehan Yoo ved University of Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi og Jaime Peraire ved MIT; Chan-Wook Baik og Kyung-Sang Cho ved Samsung Advanced Institute of Technology; og Aaron Lindenberg ved Stanford University. Arbeidet ble støttet av US Army Research Office gjennom MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, Samsung Global Research Outreach Program og Center for Energy Efficient Research Science.
Tidsreferanse:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Et romtemperatur-polarisasjonsfølsomt CMOS-terahertz-kamera basert på kvantepunkt-forbedret terahertz-til-synlig foton oppkonvertering. Nat. Nanoteknologi. (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41565-022-01243-9
