Терагерцовое излучение, длина волны которого находится между длинами волн микроволн и видимого света, может проникать через многие неметаллические материалы и обнаруживать признаки определенных молекул. Эти удобные качества могут найти себя в широком спектре приложений, включая сканирование системы безопасности в аэропортах, промышленный контроль качества, астрофизические наблюдения, неразрушающую характеристику материалов и беспроводную связь с более высокой пропускной способностью, чем современные диапазоны мобильных телефонов.
Однако разработка устройств для обнаружения и создания изображений с помощью терагерцовых волн была сложной задачей, и большинство существующих терагерцовых устройств дороги, медленны, громоздки и требуют вакуумных систем и чрезвычайно низких температур.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института, Университета Миннесоты и Samsung разработали новый тип камеры, которая может быстро обнаруживать терагерцовые импульсы с высокой чувствительностью при комнатной температуре и давлении. Более того, он может одновременно собирать информацию об ориентации или «поляризации» волн в режиме реального времени, чего не могут существующие устройства. Эту информацию можно использовать для характеристики материалов с асимметричными молекулами или для определения топографии поверхности материалов.
В новой системе используются частицы, называемые квантовыми точками, которые, как недавно было обнаружено, могут излучать видимый свет при стимуляции терагерцовыми волнами. Затем видимый свет может быть зарегистрирован устройством, которое похоже на детектор стандартной электронной камеры, и его можно даже увидеть невооруженным глазом. Устройство описано в статье, опубликованной 4 ноября в журнале Nature Nanotechnology докторантом Массачусетского технологического института Цзяоцзяном Ши, профессором химии Китом Нельсоном и 12 другими.
Команда создала два разных устройства, которые могут работать при комнатной температуре: одно использует способность квантовой точки преобразовывать терагерцовые импульсы в видимый свет, что позволяет устройству создавать изображения материалов; другой создает изображения, показывающие состояние поляризации терагерцовых волн.
Новая «камера» состоит из нескольких слоев, изготовленных по стандартным технологиям производства, подобным тем, которые используются для микрочипов. На подложке лежит массив наноразмерных параллельных линий золота, разделенных узкими щелями; над ним находится слой светоизлучающего материала с квантовыми точками; а над ним находится микросхема CMOS, используемая для формирования изображения. Детектор поляризации, называемый поляриметром, использует аналогичную структуру, но с наноразмерными кольцеобразными щелями, что позволяет ему обнаруживать поляризацию входящих лучей.
Фотоны терагерцового излучения имеют чрезвычайно низкую энергию, объясняет Нельсон, что затрудняет их обнаружение. «Итак, то, что делает это устройство, — это преобразование этой крошечной фотонной энергии во что-то видимое, что легко обнаружить с помощью обычной камеры», — говорит он. В экспериментах группы устройство смогло обнаруживать терагерцовые импульсы с низким уровнем интенсивности, что превосходило возможности современных больших и дорогих систем.
Исследователи продемонстрировали возможности детектора, сделав снимки с терагерцовым освещением некоторых структур, используемых в их устройствах, таких как наноразмерные линии золота и кольцеобразные щели, используемые для поляризованного детектора, доказав чувствительность и разрешение детектора.
Для разработки практической терагерцовой камеры требуется компонент, который генерирует терагерцовые волны для освещения объекта, и еще один, который их обнаруживает. Что касается последнего пункта, современные терагерцовые детекторы либо очень медленные, потому что они полагаются на обнаружение тепла, выделяемого волнами, падающими на материал, а тепло распространяется медленно, либо они используют фотодетекторы, которые относительно быстры, но имеют очень низкую чувствительность. Кроме того, до сих пор для большинства подходов требовался целый ряд терагерцовых детекторов, каждый из которых формировал один пиксель изображения. «Каждый из них довольно дорогой, — говорит Ши, — поэтому, как только они начинают делать камеру, стоимость детекторов начинает расти очень, очень быстро».
В то время как исследователи говорят, что они решили проблему обнаружения терагерцовых импульсов с помощью своей новой работы, нехватка хороших источников остается — и над этим работают многие исследовательские группы по всему миру. По словам Нельсона, терагерцовый источник, используемый в новом исследовании, представляет собой большой и громоздкий набор лазеров и оптических устройств, которые нелегко масштабировать для практических приложений, но новые источники, основанные на микроэлектронных методах, находятся в стадии разработки.
«Я думаю, что это действительно шаг, ограничивающий скорость: можете ли вы сделать [терагерцовые] сигналы простым и недорогим способом?» он говорит. «Но нет сомнений, что это придет».
Санг-Хюн О, соавтор статьи и профессор электротехники и вычислительной техники Макнайта в Университете Миннесоты, добавляет, что, хотя существующие версии терагерцовых камер стоят десятки тысяч долларов, дешевизна КМОП-камер, используемых для эта система делает ее «большим шагом вперед к созданию практичной терагерцовой камеры». Потенциал коммерциализации побудил компанию Samsung, производящую микросхемы для камер CMOS и устройства с квантовыми точками, принять участие в этом исследовании.
По словам Нельсона, традиционные детекторы для таких длин волн работают при температурах жидкого гелия (-452 градуса по Фаренгейту), что необходимо для выделения чрезвычайно низкой энергии терагерцовых фотонов из фонового шума. Тот факт, что это новое устройство может обнаруживать и создавать изображения на этих длинах волн с помощью обычной камеры видимого света при комнатной температуре, оказался неожиданным для тех, кто работает в терагерцовой области. «Люди такие:« Что? Это неслыханно, и люди очень удивляются», — говорит О.
По словам исследователей, существует множество способов дальнейшего повышения чувствительности новой камеры , включая дальнейшую миниатюризацию компонентов и способы защиты квантовых точек. По их словам, даже при нынешних уровнях обнаружения у устройства могут быть некоторые потенциальные применения.
Что касается потенциала коммерциализации нового устройства, Нельсон говорит, что квантовые точки теперь недороги и легко доступны, и в настоящее время используются в потребительских товарах, таких как телевизионные экраны. По его словам, фактическое изготовление камер более сложное, но оно также основано на существующей технологии микроэлектроники. Фактически, в отличие от существующих терагерцовых детекторов, весь чип терагерцовой камеры может быть изготовлен с использованием современных стандартных систем производства микрочипов, а это означает, что в конечном итоге массовое производство устройств должно быть возможным и относительно недорогим.
Уже сейчас, несмотря на то, что система камер еще далека от коммерциализации, исследователи из Массачусетского технологического института используют новое лабораторное устройство, когда им нужен быстрый способ обнаружения терагерцового излучения . «У нас нет ни одной из этих дорогих камер, — говорит Нельсон, — но у нас есть много этих маленьких устройств . терагерцовый луч включен… Люди нашли его очень удобным».
Хотя терагерцовые волны в принципе можно использовать для обнаружения некоторых астрофизических явлений, эти источники будут чрезвычайно слабыми, и новое устройство не способно уловить такие слабые сигналы, говорит Нельсон, хотя команда работает над улучшением его чувствительности. «Следующее поколение состоит в том, чтобы сделать все меньше, чтобы оно было гораздо более чувствительным», — говорит он.
