Cercetătorii de la MIT, în colaborare cu Universitatea din Minnesota și Samsung au dezvoltat un nou tip de cameră care poate detecta impulsurile terahertzi rapid, având o sensibilitate ridicată la temperatura și presiune. În plus, camera poate captura simultan informații despre orientarea sau „polarizarea” undelor în timp real, lucru pe care dispozitivele existente nu îl pot face. Aceste informații pot fi folosite pentru a caracteriza materialele care au molecule asimetrice sau pentru a determina topografia suprafeței materialelor.
Radiația terahertz, cunoscută și sub denumirea de radiație submilimetrică, are lungimi de undă care se află între cele ale microundelor și ale luminii vizibile. Poate pătrunde în multe materiale nemetalice și poate detecta semnăturile anumitor molecule. Aceste calități utile s-ar putea preta unei game largi de aplicații, inclusiv controlul calității la nivel industrial, scanării securității în aeroporturi, caracterizarea nedistructivă a materialelor, observațiile astrofizice și comunicațiile fără fir cu lățime de bandă mai mare decât benzile actuale de telefoane mobile.
Cu toate acestea, proiectarea dispozitivelor pentru a detecta și a realiza imagini din undele terahertzi a fost o provocare. Ca atare, majoritatea dispozitivelor terahertzi existente sunt scumpe, lente, voluminoase și necesită sisteme de vid și temperaturi extrem de scăzute.
Noul sistem folosește particule numite puncte cuantice. A fost descoperit recent faptul că acestea au capacitatea de a emite lumină vizibilă atunci când sunt stimulate de undele terahertzi. Lumina vizibilă poate fi apoi înregistrată de un dispozitiv care este similar cu detectorul unei camere electronice standard și poate fi văzută chiar cu ochiul liber.
Echipa a produs două dispozitive diferite care pot funcționa la temperatura camerei: unul folosește capacitatea punctului cuantic de a converti impulsurile de teraherți în lumină vizibilă, permițând dispozitivului să producă imagini ale materialelor; celălalt produce imagini care arată starea de polarizare a undelor terahertzi.
Noua „cameră” este formată din mai multe straturi, realizate cu tehnici standard de fabricație precum cele folosite pentru microcipuri. O serie de linii paralele de aur la scară nanometrică, separate prin fante înguste, se află pe substrat; deasupra acestuia se află un strat de material cu punct cuantic care emite lumină; iar deasupra este un cip CMOS folosit pentru a forma o imagine. Detectorul de polarizare, numit polarimetru, folosește o structură similară, dar cu fante în formă de inel la scară nanometrică, ceea ce îi permite să detecteze polarizarea fasciculelor de intrare.
Fotonii radiației terahertzi au o energie extrem de scăzută, explică Nelson, ceea ce îi face greu de detectat. „Așadar, ceea ce face acest dispozitiv este să convertească acea mică energie fotonică în ceva vizibil care este ușor de detectat cu o cameră obișnuită”, spune el. În experimentele echipei, dispozitivul a reușit să detecteze impulsuri de teraherți la niveluri de intensitate scăzute care au depășit capacitatea sistemelor mari și scumpe de astăzi.
Cercetătorii au demonstrat capacitățile detectorului făcând imagini iluminate cu teraherți ale unora dintre structurile utilizate în dispozitivele lor, cum ar fi liniile de aur nano-spațiate și fantele în formă de inel utilizate pentru detectorul polarizat, demonstrând sensibilitatea și rezoluția sistemului.
În timp ce cercetătorii spun că au rezolvat problema de detectare a pulsului de teraherți cu noile lor lucrări, lipsa surselor bune rămâne o provocare pentru multe grupuri de cercetare din întreaga lume. Sursa de teraherți folosită în noul studiu este o gamă largă și greoaie de lasere și dispozitive optice care nu pot fi ușor scalate la aplicații practice, spune Nelson, dar tehnicile microelectronice bazate pe surse noi sunt în curs de dezvoltare.
Sang-Hyun Oh, co-autor al lucrării și prof. McKnight, care predă inginerie electrică și informatică la Universitatea din Minnesota, adaugă că, în timp ce versiunile actuale ale camerelor terahertz costă zeci de mii de dolari, natura ieftină a camerelor CMOS utilizate pentru acest sistem îl face „un mare pas înainte spre construirea unei camere practice terahertzi”. Potențialul de comercializare a determinat Samsung, care produce cipuri pentru camere CMOS și dispozitive cu puncte cuantice, să colaboreze la această cercetare.
Articol de Izabela Constantin