Терагерцове випромінювання, також відоме як субміліметрове випромінювання, може проникати через багато неметалічних матеріалів і виявляти сигнатури конкретних молекул. Завдяки своїм цікавим властивостям їх можна використовувати в кількох сферах застосування. Однак більшість терагерцових пристроїв, які зараз використовуються, дорогі, повільні, громіздкі, вимагають вакуумних систем і працюють при надзвичайно низьких температурах, що ускладнює розробку пристроїв, які виявляють і створюють зображення з терагерцові хвилі.
тепер, MIT вчених, у співпраці з в Університет Міннесоти і Samsung розробили недорогу терагерцеву камеру. Ця нова камера може швидко, з високою чутливістю виявляти імпульси терагерцового діапазону за кімнатної температури та тиску. Крім того, він може одночасно фіксувати інформацію про орієнтацію або «поляризацію» хвиль у режимі реального часу, чого не можуть існуючі пристрої.
За допомогою цієї інформації можна ідентифікувати асиметричні матеріали, що містять молекули, або визначити топографію їх поверхні.
Квантові крапки, що використовуються в новій технології, нещодавно було виявлено, що випромінюють видиме світло, коли активуються терагерцевими коливаннями. Тоді видиме світло можна спостерігати неозброєним оком і вловлювати пристроєм, схожим на звичайний електронний детектор. кімната.
Вчені створили два різні пристрої: один використовує здатність квантової точки перетворювати терагерцові імпульси у видиме світло. Інший створює зображення, що показують стан поляризації терагерцових хвиль.
Нова «камера» складається з кількох шарів і була створена з використанням промислових стандартних виробничих процесів, подібних до тих, що застосовуються для мікрочіпів. Підкладка покрита шаром світловипромінювального матеріалу квантових точок, а потім шаром золотих нанорозмірних паралельних ліній, розділених крихітними щілинами. Нарешті, а CMOS чіп використовується для створення зображення. Поляриметр, схожий на поляризаційний детектор, може виявляти поляризацію вхідних променів за допомогою кільцеподібних нанорозмірних щілин.
Професор хімії Кейт Нельсон сказав: «Фотони терагерцового випромінювання мають надзвичайно низьку енергію, через що їх важко виявити. Отже, те, що цей пристрій робить, це перетворює маленьку крихітну фотонну енергію на щось видиме, що легко виявити звичайною камерою».
Під час експериментів камера виявила імпульси терагерцового діапазону на рівнях низької інтенсивності, які перевершили можливості сучасних великих і дорогих систем. Крім того, він також показує можливості детектора, роблячи фотографії деяких структур, які використовуються в їхніх пристроях, підсвічуванням терагерцевим діапазоном.
Вчені відзначили, «Вони зламали проблему виявлення терагерцевих імпульсів у своїй новій роботі, брак хороших джерел залишається — і над цим працюють багато дослідницьких груп у всьому світі».
«Терагерцеве джерело, яке використовується в новому дослідженні, є великим і громіздким набором лазерів і оптичних пристроїв, які не можна легко масштабувати для практичних застосувань, але нові мікроелектронні методи на основі джерел знаходяться в стадії розробки».
«Я думаю, що це крок, який обмежує швидкість: чи можете ви зробити [терагерцові] сигнали легким і не дорогим способом? Але питання не виникає».
Санг-Хюн О, співавтор статті та професор електротехніки та комп’ютерної інженерії МакНайта в Університеті Міннесоти, додає, що хоча поточні версії терагерцових камер коштують десятки тисяч доларів, недорогий характер CMOS-камер, що використовуються для цієї системи, робить її «великим кроком уперед до створення практичної терагерцової камери».
Незважаючи на те, що система камер ще далека від комерціалізації, вчені використовують новий лабораторний пристрій, коли їм потрібен швидкий спосіб виявлення терагерцового випромінювання.
До складу дослідницької групи входили Дехан Ю з Університету Міннесоти; Ферран Відаль-Кодіна, Нгок-Куонг Нгуєн, Хендрік Утзат, Джінчі Хан, Владімір Буловіч, Мунгі Бавенді та Хайме Перейр в MIT; Чан-Вук Байк і Кюн-Сан Чо в Інституті передових технологій Samsung; та Аарон Лінденберг зі Стенфордського університету. Робота була підтримана Дослідницьким офісом армії США через Інститут солдатських нанотехнологій Массачусетського технологічного інституту, Глобальну програму Samsung Research Outreach Program і Центр наукових досліджень енергоефективності.
Довідка з журналу:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. та ін. Терагерцева КМОП-камера, чутлива до поляризації при кімнатній температурі, заснована на посиленому квантовими точками перетворенні терагерцового фотона у видимий діапазон. Нат. Нанотехнол. (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
