A radiação Terahertz – também conhecida como radiação submilimétrica, pode penetrar em muitos materiais não metálicos e detectar assinaturas de moléculas específicas. Devido às suas propriedades interessantes, podem ser utilizados em diversas aplicações. A maioria dos dispositivos terahertz atualmente em uso, entretanto, são caros, lentos, volumosos, requerem sistemas de vácuo e operam em temperaturas extremamente baixas, dificultando o desenvolvimento de dispositivos que detectem e criem imagens a partir de ondas terahertz.
Agora, MIT cientistas, em colaboração com o University of Minnesota e a Samsung desenvolveram uma câmera terahertz de baixo custo. Esta nova câmera pode detectar pulsos de terahertz rapidamente, com alta sensibilidade e em temperatura e pressão ambientes. Além disso, pode capturar simultaneamente informações sobre a orientação, ou “polarização”, das ondas em tempo real, o que os dispositivos existentes não conseguem.
Materiais contendo moléculas assimétricas podem ser identificados, ou sua topografia superficial pode ser determinada usando esta informação.
Pontos quânticos, usados na nova tecnologia, descobriram recentemente que emitem luz visível quando ativados por vibrações terahertz. Então, a luz visível pode ser observada a olho nu e capturada por um dispositivo que se assemelha ao detector de um aparelho eletrônico comum. Câmera.
Os cientistas desenvolveram dois dispositivos diferentes: um usa a capacidade do ponto quântico de converter pulsos de terahertz em luz visível. O outro produz imagens que mostram o estado de polarização das ondas terahertz.
A nova “câmera” é composta por várias camadas e foi criada usando processos de fabricação padrão da indústria, semelhantes aos dos microchips. O substrato é coberto com uma camada de material de pontos quânticos emissores de luz, seguido por uma camada de linhas paralelas de ouro em nanoescala divididas por pequenas fendas. Finalmente, um chip CMOS é utilizado para criar uma imagem. Um polarímetro, que é semelhante ao detector de polarização, pode detectar a polarização dos feixes recebidos usando fendas em nanoescala em forma de anel.
O professor de química Keith Nelson disse: “Os fótons da radiação terahertz têm energia extremamente baixa, o que os torna difíceis de detectar. Então, o que este dispositivo está fazendo é converter aquela pequena energia de fóton em algo visível que é fácil de detectar com uma câmera normal.”
Durante os experimentos, a câmera detectou pulsos de terahertz em níveis de baixa intensidade que ultrapassaram a capacidade dos grandes e caros sistemas atuais. Além disso, também mostra as capacidades do detector ao tirar fotos iluminadas em terahertz de algumas das estruturas usadas em seus dispositivos.
Os cientistas observaram, “Eles resolveram o problema de detecção de pulso de terahertz com seu novo trabalho, a falta de boas fontes permanece – e está sendo trabalhada por muitos grupos de pesquisa em todo o mundo.”
“A fonte de terahertz usada no novo estudo é um grande e complicado conjunto de lasers e dispositivos ópticos que não podem ser facilmente dimensionados para aplicações práticas, mas novas técnicas microeletrônicas baseadas em fontes estão em desenvolvimento.”
“Acho que essa é a etapa limitante da taxa: você pode emitir os sinais [terahertz] de uma maneira fácil e barata? Mas nenhuma pergunta virá.
Sang-Hyun Oh, coautor do artigo e professor McKnight de Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade de Minnesota, acrescenta que embora as versões atuais de câmeras terahertz custem dezenas de milhares de dólares, a natureza barata das câmeras CMOS usadas para este sistema torna-o “um grande passo em direção à construção de uma câmera terahertz prática”.
Embora o sistema de câmeras ainda esteja longe de ser comercializado, os cientistas estão usando o novo dispositivo de laboratório quando precisam de uma maneira rápida de detectar a radiação terahertz.
A equipe de pesquisa incluiu Daehan Yoo, da Universidade de Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi e Jaime Peraire no MIT; Chan-Wook Baik e Kyung-Sang Cho do Samsung Advanced Institute of Technology; e Aaron Lindenberg, da Universidade de Stanford. O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA por meio do Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT, do Programa Global de Divulgação de Pesquisa da Samsung e do Centro de Pesquisa Científica com Eficiência Energética.
Jornal de referência:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. Uma câmera CMOS terahertz sensível à polarização à temperatura ambiente baseada na conversão ascendente de terahertz em fótons visíveis aprimorada por pontos quânticos. Nat. Nanotecnol. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
