รังสีเทราเฮิร์ตซ์ - หรือที่เรียกว่ารังสีซับมิลลิเมตร สามารถทะลุผ่านวัสดุอโลหะจำนวนมากและตรวจจับลายเซ็นของโมเลกุลจำเพาะได้ เนื่องจากคุณสมบัติที่น่าสนใจจึงสามารถนำไปใช้ได้หลายอย่าง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เทราเฮิร์ตซ์ส่วนใหญ่ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันมีราคาแพง ช้า เทอะทะ ต้องใช้ระบบสุญญากาศ และทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก ทำให้ยากต่อการพัฒนาอุปกรณ์ที่ตรวจจับและสร้างภาพจาก คลื่นเฮิร์ตซ์.
ตอนนี้ เอ็มไอที นักวิทยาศาสตร์ร่วมกับ มหาวิทยาลัยมินนิโซตา และซัมซุงได้พัฒนากล้องเทระเฮิรตซ์ราคาประหยัด กล้องใหม่นี้สามารถตรวจจับพัลส์เทราเฮิร์ตซ์ได้อย่างรวดเร็วด้วยความไวสูง และที่อุณหภูมิห้องและความดัน ยิ่งไปกว่านั้น ยังสามารถจับข้อมูลเกี่ยวกับการวางแนวหรือ “โพลาไรเซชัน” ของคลื่นแบบเรียลไทม์ได้พร้อมๆ กัน ซึ่งอุปกรณ์ที่มีอยู่ไม่สามารถทำได้
วัสดุที่มีโมเลกุลไม่สมมาตรสามารถระบุได้ หรือสามารถตรวจสอบสภาพพื้นผิวของวัสดุได้โดยใช้ข้อมูลนี้
จุดควอนตัมซึ่งใช้ในเทคโนโลยีใหม่นี้ เพิ่งถูกค้นพบว่าปล่อยแสงที่มองเห็นได้เมื่อถูกกระตุ้นด้วยการสั่นสะเทือนแบบเทอร์เฮิร์ตซ์ จากนั้นสามารถสังเกตแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าและจับโดยอุปกรณ์ที่มีลักษณะคล้ายกับเครื่องตรวจจับของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ห้อง.
นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นอุปกรณ์ที่แตกต่างกันสองชิ้น อุปกรณ์หนึ่งใช้ความสามารถของควอนตัมดอทในการแปลงพัลส์เทราเฮิร์ตซ์ให้เป็นแสงที่มองเห็นได้ อีกภาพหนึ่งสร้างภาพที่แสดงสถานะโพลาไรเซชันของคลื่นเทราเฮิร์ตซ์
“กล้อง” ใหม่ประกอบด้วยหลายชั้นและถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการผลิตมาตรฐานอุตสาหกรรมที่คล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตไมโครชิป พื้นผิวถูกปกคลุมด้วยชั้นของวัสดุจุดควอนตัมที่เปล่งแสง ตามด้วยชั้นของเส้นขนานระดับนาโนสีทองหารด้วยรอยกรีดเล็กๆ ในที่สุด ก ชิป CMOS ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างภาพ โพลาริมิเตอร์ซึ่งคล้ายกับเครื่องตรวจจับโพลาไรเซชัน สามารถตรวจจับโพลาไรเซชันของลำแสงที่เข้ามาได้โดยใช้กรีดขนาดนาโนรูปวงแหวน
ศาสตราจารย์วิชาเคมี คีธ เนลสัน กล่าวว่า “โฟตอนของรังสีเทราเฮิร์ตซ์มีพลังงานต่ำมาก ซึ่งทำให้ตรวจจับได้ยาก ดังนั้น สิ่งที่อุปกรณ์นี้กำลังทำคือการแปลงพลังงานโฟตอนเล็กๆ น้อยๆ ให้กลายเป็นสิ่งที่มองเห็นได้ซึ่งตรวจจับได้ง่ายด้วยกล้องทั่วไป”
ในระหว่างการทดลอง กล้องตรวจพบพัลส์เทราเฮิร์ตซ์ที่ระดับความเข้มต่ำซึ่งเกินความสามารถของระบบขนาดใหญ่และมีราคาแพงในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังแสดงความสามารถของเครื่องตรวจจับด้วยการถ่ายภาพโครงสร้างบางส่วนที่ใช้ในอุปกรณ์ที่มีแสงเทราเฮิร์ตซ์
นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่า “พวกเขาได้แก้ไขปัญหาการตรวจจับชีพจรเทราเฮิร์ตซ์ด้วยงานใหม่ของพวกเขา แต่ยังขาดแหล่งข้อมูลที่ดี และกลุ่มวิจัยหลายแห่งทั่วโลกกำลังดำเนินการอยู่”
"แหล่งที่มาของเฮิร์ตซ์ที่ใช้ในการศึกษาครั้งใหม่นี้เป็นชุดเลเซอร์และอุปกรณ์ออพติคอลที่มีขนาดใหญ่และยุ่งยากซึ่งไม่สามารถปรับขนาดให้เหมาะกับการใช้งานจริงได้อย่างง่ายดาย แต่เทคนิคไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้แหล่งข้อมูลใหม่ ๆ ยังอยู่ระหว่างการพัฒนา"
“ฉันคิดว่านั่นเป็นขั้นตอนการจำกัดอัตรา: คุณสามารถส่งสัญญาณ [เทราเฮิร์ตซ์] ด้วยวิธีง่ายๆ ที่ไม่แพงได้หรือไม่ แต่ไม่มีคำถามเกิดขึ้น”
Sang-Hyun Oh ผู้ร่วมเขียนบทความและศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของ McKnight แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตา เสริมว่า ในขณะที่กล้องเทราเฮิร์ตซ์รุ่นปัจจุบันมีราคาหลายหมื่นดอลลาร์ แต่ลักษณะที่ไม่แพงของกล้อง CMOS ที่ใช้สำหรับระบบนี้ทำให้ "เป็นก้าวสำคัญในการสร้างกล้องเทราเฮิร์ตซ์ที่ใช้งานได้จริง"
แม้ว่าระบบกล้องยังห่างไกลจากการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ แต่นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการตัวใหม่เมื่อพวกเขาต้องการวิธีที่รวดเร็วในการตรวจจับรังสีเทราเฮิร์ตซ์
ทีมวิจัย ได้แก่ Daehan Yoo จากมหาวิทยาลัยมินนิโซตา; Ferran Vidal-Codina, Ngoc-Cuong Nguyen, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi และ Jaime Peraire ที่ MIT; Chan-Wook Baik และ Kyung-Sang Cho จาก Samsung Advanced Institute of Technology; และ Aaron Lindenberg จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพสหรัฐฯ ผ่านทางสถาบันนาโนเทคโนโลยีทหารของ MIT, โครงการวิจัยระดับโลกของ Samsung และศูนย์วิทยาศาสตร์การวิจัยอย่างประหยัดพลังงาน
การอ้างอิงวารสาร:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. และคณะ กล้อง CMOS เทราเฮิร์ตซ์ที่ไวต่อโพลาไรเซชันที่อุณหภูมิห้อง โดยอาศัยการแปลงโฟตอนที่มองเห็นได้ซึ่งเสริมด้วยจุดเทอร์เฮิร์ตซ์ที่ปรับปรุงด้วยควอนตัม แนท. นาโนเทคโนโลยี. (2022). ดอย: 10.1038/s41565-022-01243-9
