Terahertz-strålning – även känd som submillimeterstrålning, kan penetrera många icke-metalliska material och upptäcka signaturer av specifika molekyler. På grund av deras intressanta egenskaper kan de användas i flera applikationer. Majoriteten av terahertz-enheter som för närvarande används är dock dyra, långsamma, skrymmande, kräver vakuumsystem och fungerar vid extremt låga temperaturer, vilket gör det svårt att utveckla enheter som upptäcker och skapar bilder från terahertz vågor.
Nu, MIT forskare, i samarbete med University of Minnesota och Samsung, har utvecklat en terahertz-kamera till låg kostnad. Denna nya kamera kan upptäcka terahertz-pulser snabbt, med hög känslighet och vid rumstemperatur och tryck. Dessutom kan den samtidigt fånga information om vågornas orientering eller "polarisering" i realtid, vilket befintliga enheter inte kan.
Asymmetriska molekylinnehållande material kan identifieras eller deras yttopografi kan fastställas med hjälp av denna information.
Kvantprickar, som används i den nya tekniken, har nyligen upptäckts avge synligt ljus när de aktiveras av terahertzvibrationer. Sedan kan det synliga ljuset observeras med blotta ögat och fångas av en enhet som liknar detektorn hos en vanlig elektronisk rum.
Forskare utarbetade två olika enheter: Den ena använder kvantpunktens förmåga att omvandla terahertzpulser till synligt ljus. Den andra producerar bilder som visar polariseringstillståndet för terahertzvågorna.
Den nya "kameran" består av flera lager och skapades med industristandard tillverkningsprocesser liknande de för mikrochips. Substratet är täckt med ett lager av ljusemitterande kvantpunktsmaterial, följt av ett lager av parallella linjer i guld i nanoskala delade av små slitsar. Slutligen, a CMOS-chip används för att skapa en bild. En polarimeter, som liknar den för polarisationsdetektorn, kan detektera polariseringen av inkommande strålar genom att använda ringformade nanoskala slitsar.
Professorn i kemi Keith Nelson sa, "Fotoner från terahertzstrålning har extremt låg energi, vilket gör dem svåra att upptäcka. Så vad den här enheten gör är att omvandla den lilla fotonenergin till något synligt som är lätt att upptäcka med en vanlig kamera."
Under experiment upptäckte kameran terahertz-pulser vid lågintensiva nivåer som överträffade kapaciteten hos dagens stora och dyra system. Dessutom visar den också detektorns kapacitet genom att ta terahertz-upplysta bilder av några av strukturerna som används i deras enheter.
Forskare noterade, "De har knäckt problemet med terahertz-pulsdetektering med sitt nya arbete, bristen på bra källor kvarstår - och det arbetas på av många forskargrupper runt om i världen."
"Terahertzkällan som används i den nya studien är en stor och besvärlig mängd lasrar och optiska enheter som inte lätt kan skalas till praktiska tillämpningar, men nya källbaserade mikroelektroniska tekniker är under utveckling."
"Jag tror att det är det hastighetsbegränsande steget: Kan du göra [terahertz]-signalerna på ett enkelt sätt som inte är dyrt? Men ingen fråga kommer."
Sang-Hyun Oh, en medförfattare till artikeln och en McKnight-professor i elektro- och datorteknik vid University of Minnesota, lägger till det medan nuvarande versioner av terahertz-kameror kostar tiotusentals dollar, gör den billiga karaktären hos CMOS-kameror som används för detta system det "ett stort steg framåt mot att bygga en praktisk terahertz-kamera."
Även om kamerasystemet fortfarande är långt ifrån kommersialisering, använder forskare den nya labbenheten när de behöver ett snabbt sätt att upptäcka terahertzstrålning.
Forskargruppen inkluderade Daehan Yoo vid University of Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi och Jaime Peraire vid MIT; Chan-Wook Baik och Kyung-Sang Cho vid Samsung Advanced Institute of Technology; och Aaron Lindenberg vid Stanford University. Arbetet stöddes av US Army Research Office genom MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, Samsung Global Research Outreach Program och Center for Energy Efficient Research Science.
Tidskriftsreferens:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. En rumstemperaturpolarisationskänslig CMOS-terahertz-kamera baserad på quantum-dot-förbättrad terahertz-till-synlig foton uppkonvertering. Nat. Nanoteknik. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
