Bức xạ Terahertz – còn được gọi là bức xạ dưới milimet, có thể xuyên qua nhiều vật liệu phi kim loại và phát hiện dấu hiệu của các phân tử cụ thể. Do tính chất thú vị của chúng, chúng có thể được sử dụng trong một số ứng dụng. Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị terahertz hiện đang được sử dụng đều đắt tiền, chậm, cồng kềnh, yêu cầu hệ thống chân không và hoạt động ở nhiệt độ cực thấp, gây khó khăn cho việc phát triển các thiết bị phát hiện và tạo hình ảnh từ sóng terahertz.
Bây giờ, MIT các nhà khoa học, phối hợp với Đại học Minnesota và Samsung, đã phát triển một máy ảnh terahertz giá rẻ. Máy ảnh mới này có thể phát hiện các xung terahertz một cách nhanh chóng, với độ nhạy cao ở nhiệt độ và áp suất phòng. Hơn nữa, nó có thể đồng thời nắm bắt thông tin về hướng hoặc “sự phân cực” của sóng trong thời gian thực, điều mà các thiết bị hiện tại không thể làm được.
Các vật liệu chứa phân tử không đối xứng có thể được xác định hoặc địa hình bề mặt của chúng có thể được xác định chắc chắn bằng thông tin này.
Chấm lượng tử, được sử dụng trong công nghệ mới, gần đây đã được phát hiện có khả năng phát ra ánh sáng khả kiến khi được kích hoạt bởi các rung động terahertz. Sau đó, ánh sáng khả kiến có thể được quan sát bằng mắt thường và được ghi lại bởi một thiết bị giống như máy dò của một thiết bị điện tử thông thường. máy ảnh.
Các nhà khoa học đã phát minh ra hai thiết bị khác nhau: Một thiết bị sử dụng khả năng của chấm lượng tử để chuyển đổi xung terahertz thành ánh sáng khả kiến. Cái còn lại tạo ra hình ảnh cho thấy trạng thái phân cực của sóng terahertz.
“Máy ảnh” mới được tạo thành từ nhiều lớp và được tạo ra bằng cách sử dụng quy trình sản xuất tiêu chuẩn công nghiệp tương tự như quy trình sản xuất vi mạch. Chất nền được phủ một lớp vật liệu chấm lượng tử phát sáng, tiếp theo là một lớp các đường song song có kích thước nano vàng được chia bởi các khe nhỏ. Cuối cùng, một Chip CMOS được sử dụng để tạo ra một hình ảnh. Một máy đo phân cực, tương tự như máy dò phân cực, có thể phát hiện sự phân cực của các chùm tia tới bằng cách sử dụng các khe nano hình vòng.
Giáo sư hóa học Keith Nelson nói, “Các photon của bức xạ terahertz có năng lượng cực thấp, khiến chúng khó bị phát hiện. Vì vậy, những gì thiết bị này đang làm là chuyển đổi năng lượng photon nhỏ bé đó thành thứ có thể nhìn thấy được và dễ phát hiện bằng máy ảnh thông thường.”
Trong quá trình thử nghiệm, camera đã phát hiện các xung terahertz ở mức cường độ thấp vượt quá khả năng của các hệ thống lớn và đắt tiền ngày nay. Hơn nữa, nó còn cho thấy khả năng của máy dò bằng cách chụp những bức ảnh được chiếu sáng terahertz của một số cấu trúc được sử dụng trong thiết bị của họ.
Các nhà khoa học ghi nhận, “Họ đã giải quyết được vấn đề phát hiện xung terahertz bằng công trình mới của mình, tuy nhiên vẫn còn thiếu nguồn tốt - và đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới nghiên cứu.”
“Nguồn terahertz được sử dụng trong nghiên cứu mới là một dãy laser và thiết bị quang học lớn và cồng kềnh, không thể dễ dàng thu nhỏ quy mô cho các ứng dụng thực tế, nhưng các kỹ thuật vi điện tử dựa trên nguồn mới đang được phát triển.”
“Tôi nghĩ đó là bước giới hạn tốc độ: Bạn có thể tạo tín hiệu [terahertz] theo cách đơn giản mà không tốn kém không? Nhưng không có câu hỏi nào được đưa ra.”
Sang-Hyun Oh, đồng tác giả của bài báo và là Giáo sư Kỹ thuật Điện và Máy tính McKnight tại Đại học Minnesota, thêm rằng trong khi các phiên bản hiện tại của máy ảnh terahertz có giá hàng chục nghìn đô la, thì tính chất rẻ tiền của máy ảnh CMOS được sử dụng cho hệ thống này khiến nó trở thành “một bước tiến lớn hướng tới việc chế tạo một chiếc máy ảnh terahertz thực tế”.
Mặc dù hệ thống camera vẫn còn lâu mới được thương mại hóa nhưng các nhà khoa học đang sử dụng thiết bị phòng thí nghiệm mới khi họ cần một cách nhanh chóng để phát hiện bức xạ terahertz.
Nhóm nghiên cứu bao gồm Daehan Yoo tại Đại học Minnesota; Ferran Vidal-Codina, Ngọc-Cường Nguyễn, Hendrik Utzat, Jinchi Han, Vladimir Bulović, Moungi Bawendi và Jaime Peraire tại MIT; Chan-Wook Baik và Kyung-Sang Cho tại Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung; và Aaron Lindenberg tại Đại học Stanford. Công trình này được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ thông qua Viện Công nghệ nano Quân nhân MIT, Chương trình Tiếp cận Nghiên cứu Toàn cầu của Samsung và Trung tâm Khoa học Nghiên cứu Hiệu quả Năng lượng.
Tạp chí tham khảo:
- Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. và cộng sự. Một máy ảnh CMOS terahertz nhạy phân cực ở nhiệt độ phòng dựa trên sự chuyển đổi ngược photon từ terahertz sang photon nhìn thấy được tăng cường chấm lượng tử. Nat. Công nghệ nano. (Năm 2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
