Терагерцовое излучение, также известное как субмиллиметровое излучение, может проникать во многие неметаллические материалы и обнаруживать сигнатуры определенных молекул. Благодаря своим интересным свойствам их можно использовать в нескольких приложениях. Однако большинство терагерцовых устройств, используемых в настоящее время, дороги, медленны, громоздки, требуют вакуумных систем и работают при чрезвычайно низких температурах, что затрудняет разработку устройств, которые обнаруживают и создают изображения из терагерцовые волны.
Теперь, MIT ученых в сотрудничестве с Университет Миннесоты и Samsung разработали недорогую терагерцовую камеру. Эта новая камера может быстро обнаруживать терагерцовые импульсы с высокой чувствительностью при комнатной температуре и давлении. Более того, он может одновременно получать информацию об ориентации или «поляризации» волн в режиме реального времени, чего не могут существующие устройства.
Используя эту информацию, можно идентифицировать материалы, содержащие асимметричные молекулы, или установить топографию их поверхности.
Квантовые точки, используемые в новой технологии, недавно обнаружили, что они излучают видимый свет при активации терагерцовыми вибрациями. Тогда видимый свет можно наблюдать невооруженным глазом и улавливать устройством, напоминающим детектор обычного электронного камера.
Ученые разработали два разных устройства: одно использует способность квантовой точки преобразовывать терагерцовые импульсы в видимый свет. Другой производит изображения, показывающие состояние поляризации терагерцовых волн.
Новая «камера» состоит из нескольких слоев и была создана с использованием стандартных производственных процессов, аналогичных тем, которые применяются для микрочипов. Подложка покрыта слоем светоизлучающего материала с квантовыми точками, за которым следует слой золотых наноразмерных параллельных линий, разделенных крошечными прорезями. Наконец, КМОП-чип используется для создания образа. Поляриметр, аналогичный детектору поляризации, может обнаруживать поляризацию входящих лучей с помощью кольцевых нанощелей.
Профессор химии Кит Нельсон сказал: «Фотоны терагерцового излучения имеют чрезвычайно низкую энергию, что затрудняет их обнаружение. Итак, то, что делает это устройство, — это преобразование этой крошечной фотонной энергии во что-то видимое, что легко обнаружить с помощью обычной камеры».
Во время экспериментов камера обнаружила терагерцовые импульсы низкой интенсивности, которые превзошли возможности современных больших и дорогих систем. Кроме того, он также демонстрирует возможности детектора, делая снимки с терагерцовым освещением некоторых структур, используемых в их устройствах.
Ученые отметили, «Они решили проблему обнаружения терагерцовых импульсов в своей новой работе, но хороших источников по-прежнему не хватает — над этим работают многие исследовательские группы по всему миру».
«Терагерцовый источник, использованный в новом исследовании, представляет собой большой и громоздкий набор лазеров и оптических устройств, которые нелегко масштабировать для практических приложений, но новые источники, основанные на микроэлектронных методах, находятся в стадии разработки».
«Я думаю, что это шаг, ограничивающий скорость: можете ли вы сделать [терагерцовые] сигналы простым и недорогим способом? Но вопросов не будет.
Санг-Хюн О, соавтор статьи и профессор электротехники и вычислительной техники Макнайта в Университете Миннесоты, добавляет, что в то время как нынешние версии терагерцовых камер стоят десятки тысяч долларов, дешевизна КМОП-камер, используемых для этой системы, делает ее «большим шагом вперед к созданию практичной терагерцовой камеры».
Несмотря на то, что система камер еще далека от коммерциализации, ученые используют новое лабораторное устройство, когда им нужен быстрый способ обнаружения терагерцового излучения.
В исследовательскую группу входили Дэхан Ю из Миннесотского университета; Ферран Видаль-Кодина, Нгок-Куонг Нгуен, Хендрик Утзат, Джинчи Хан, Владимир Булович, Мунги Бавенди и Хайме Перайр из Массачусетского технологического института; Чан-Вук Байк и Кьюнг-Санг Чо из Института передовых технологий Samsung; и Аарон Линденберг из Стэнфордского университета. Работа была поддержана Исследовательским управлением армии США через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, Глобальную исследовательскую программу Samsung и Центр научных исследований в области энергоэффективности.
Справочник журнала:
- Ши Дж., Ю Д., Видал-Кодина Ф. и соавт. Терагерцовая КМОП-камера, чувствительная к поляризации при комнатной температуре, основанная на улучшенном квантовыми точками преобразовании терагерцовых фотонов в видимый диапазон. Туземный Nanotechnol. (2022). ДОИ: 10.1038/s41565-022-01243-9
