Promieniowanie terahercowe – znane również jako promieniowanie submilimetrowe, może przenikać wiele materiałów niemetalicznych i wykrywać sygnatury określonych cząsteczek. Ze względu na swoje ciekawe właściwości można je wykorzystać w kilku zastosowaniach. Większość obecnie używanych urządzeń terahercowych jest jednak droga, powolna, nieporęczna, wymaga systemów próżniowych i działa w ekstremalnie niskich temperaturach, co utrudnia opracowanie urządzeń wykrywających i tworzących obrazy z fale terahercowe.
Teraz, MIT naukowcy we współpracy z University of Minnesota i Samsung opracowały tanią kamerę terahercową. Ta nowa kamera może szybko wykrywać impulsy terahercowe, z dużą czułością, w temperaturze i ciśnieniu pokojowym. Co więcej, może jednocześnie rejestrować informacje o orientacji, czyli „polaryzacji” fal w czasie rzeczywistym, czego nie potrafią istniejące urządzenia.
Na podstawie tych informacji można zidentyfikować materiały zawierające asymetryczne cząsteczki lub ustalić topografię ich powierzchni.
Kropki kwantoweNiedawno odkryto, że stosowane w nowej technologii emitują światło widzialne po aktywacji przez wibracje terahercowe. Wówczas światło widzialne można obserwować gołym okiem i wychwytywać za pomocą urządzenia przypominającego detektor zwykłego elektronicznego aparat fotograficzny.
Naukowcy opracowali dwa różne urządzenia: jedno wykorzystuje zdolność kropki kwantowej do przekształcania impulsów terahercowych w światło widzialne. Drugi generuje obrazy pokazujące stan polaryzacji fal terahercowych.
Nowa „aparat” składa się z kilku warstw i została stworzona przy użyciu standardowych procesów produkcyjnych podobnych do tych stosowanych w przypadku mikrochipów. Podłoże pokryte jest warstwą emitującego światło materiału w postaci kropek kwantowych, a następnie warstwą złotych równoległych linii w skali nano rozdzielonych drobnymi szczelinami. Wreszcie, A Układ CMOS służy do tworzenia obrazu. Polarymetr, podobny do detektora polaryzacji, może wykryć polaryzację przychodzących wiązek za pomocą nanoszczelin w kształcie pierścienia.
Profesor chemii Keith Nelson powiedział: „Fotony promieniowania terahercowego mają niezwykle niską energię, przez co są trudne do wykrycia. Zatem to urządzenie przekształca tę niewielką energię fotonów w coś widzialnego, co można łatwo wykryć zwykłą kamerą.
Podczas eksperymentów kamera wykryła impulsy terahercowe o niskim natężeniu, przekraczającym możliwości współczesnych dużych i drogich systemów. Co więcej, pokazuje także możliwości detektora, wykonując zdjęcia niektórych struktur stosowanych w ich urządzeniach w świetle terahercowym.
Naukowcy zauważyli, „W swojej nowej pracy rozwiązali problem wykrywania impulsów terahercowych, nadal brakuje dobrych źródeł – wiele grup badawczych na całym świecie pracuje nad tym.”
„Źródłem terahercowym wykorzystanym w nowym badaniu jest duży i nieporęczny zestaw laserów i urządzeń optycznych, których nie można łatwo skalować do praktycznych zastosowań, ale techniki mikroelektroniczne oparte na nowych źródłach są dopiero w fazie rozwoju”.
„Myślę, że to krok ograniczający szybkość: czy można wytwarzać sygnały [terahercowe] w łatwy i niedrogi sposób? Ale nie ma żadnych pytań.
Sang-Hyun Oh, współautor artykułu i profesor McKnight w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie w Minnesocie, dodaje to choć obecne wersje kamer terahercowych kosztują dziesiątki tysięcy dolarów, niedrogi charakter kamer CMOS używanych w tym systemie sprawia, że jest to „duży krok naprzód w kierunku zbudowania praktycznej kamery terahercowej”.
Chociaż system kamer jest jeszcze daleki od komercjalizacji, naukowcy korzystają z nowego urządzenia laboratoryjnego, gdy potrzebują szybkiego sposobu na wykrycie promieniowania terahercowego.
W skład zespołu badawczego wchodzili Daehan Yoo z Uniwersytetu w Minnesocie; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi i Jaime Peraire z MIT; Chan-Wook Baik i Kyung-Sang Cho z Samsung Advanced Institute of Technology; i Aaron Lindenberg z Uniwersytetu Stanforda. Prace były wspierane przez Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych za pośrednictwem Instytutu Nanotechnologii Żołnierzy MIT, globalnego programu badawczego Samsung oraz Centrum Badań nad Efektywnością Energetyczną.
Referencje czasopisma:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. i in. Kamera terahercowa CMOS czuła na polaryzację w temperaturze pokojowej, oparta na konwersji w górę fotonów ze wzmocnioną kropką kwantową. Nat. Nanotechnologia. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
