Srušeni brzinski rekordi: Inženjeri pokazali najbrži piroelektrični fotodetektor

Inženjeri elektrotehnike sa Univerziteta Djuk demonstrirali su najbrži piroelektrični fotodetektor, koji radi tako što apsorbuje toplotu generisanu dolaznom svetlošću.

Sposoban da uhvati svetlost iz celog elektromagnetnog spektra, ovaj ultratanki uređaj ne zahteva spoljno napajanje, radi na sobnoj temperaturi i može se lako integrisati u aplikacije na čipu. Ovaj napredak bi mogao da postane osnova nove klase multispektrualnih kamera sposobnih da utiču na širok spektar oblasti, kao što su detekcija raka kože, inspekcija bezbednosti hrane i poljoprivreda velikih razmera, saopštio je Univerzitet Djuk.

Preporučujemo

Rezultati su objavljeni u Advanced Functional Materials.

Fotodetektori zasnovani na poluprovodnicima, koji su osnova digitalnih kamera, rade tako što stvaraju električnu struju kada ih pogodi svetlost, koju kompjuter interpretira u jedinstvenu sliku. Ali poluprovodnici, poput ljudskih očiju, mogu da vide samo uzak opseg frekvencija u elektromagnetnom spektru.

Uobičajeni pristup hvatanju egzotičnijih frekvencija svetlosti koristi piroelektrične detektore, koji generišu električne signale kada se zagreju nakon apsorpcije svetlosti. Međutim, ovi tipovi uređaja već dugo zaostaju za efikasnošću tradicionalnih digitalnih kamera na mnogo načina, jer ih je stvaranje dovoljno toplote na frekvencijama koje je teško uhvatiti učinilo glomaznim i sporim.

- Komercijalni piroelektrični detektori nisu veoma responzivni, pa im je potrebna veoma jaka svetlost ili veoma debeli apsorberi da bi radili, što ih prirodno čini sporim jer se toplota ne kreće tako brzo. Naš pristup pametno integriše skoro savršene apsorbere i super-tanke piroelektrike kako bi postigao vreme odziva od 125 pikosekundi, što je ogroman napredak za ovu oblast – rekla je Majken Mikelsen, profesorka elektrotehnike i računarstva na Djuku.

Pristup Mikelsenine laboratorije, nazvan „metapovršina“ (metasurface), koristi precizno prilagođene srebrne nanokocke postavljene na providni film samo 10 nanometara iznad tankog sloja zlata. Kada svetlost pogodi površinu nanokocke, ona pobuđuje elektrone srebra, zarobljavajući energiju svetlosti kroz fenomen poznat kao plazmonika — ali samo na specifičnoj frekvenciji koja se kontroliše veličinom i razmakom nanokocki.

Ovaj fenomen je toliko efikasan u zarobljavanju svetlosti i apsorbovanju njene energije da zahteva samo ekstremno tanak sloj piroelektričnog materijala ispod sebe za kreiranje električnog signala. Ovaj pristup je prvobitno demonstriran u Mikelseninoj laboratoriji 2019. godine, ali u to vreme eksperiment nije bio postavljen na način koji bi im omogućio da izmere njegovu brzinu.

- Termalni fotodetektori bi trebalo da budu spori, tako da je ovo bilo zapanjujuće za čitavu naučnu zajednicu. Bili smo zatečeni činjenicom da se činilo da uređaj radi na vremenskim skalama sličnim onima kod silicijumskih fotodetektora - rekla je Mikelsenova.

Poslednjih nekoliko godina, Eunso Šin, studentkinja doktorskih studija u Mikelseninoj laboratoriji, radila je na optimizaciji ovog pristupa, istovremeno tražeći način da izmeri njegovu brzinu bez trošenja stotina hiljada dolara na skupu opremu.

U novoj iteraciji, metapovršina koja apsorbuje svetlost je kružnog umesto pravougaonog oblika kako bi se maksimizovala njena izloženost uz minimiziranje udaljenosti koju signal mora da pređe. Takođe su od saradnika nabavili još tanje slojeve piroelektričnih materijala za integraciju u uređaj i unapredili dizajn kola za očitavanje i prenos električnih signala.

Zatim, da bi izmerila koliko brzo je sistem sposoban da detektuje svetlost, Šinova je koristila domišljatu postavku sa dva lasera sa distribuiranom povratnom spregom koji su pojačavali svetlost kada bi njihove frekvencije postale bliske radnoj brzini uređaja. Tim je otkrio da njihov novi termalni fotodetektor radi na rekordnim brzinama do 2,8 GHz, što odgovara električnom signalu koji generiše dolazna svetlost za samo 125 pikosekundi.

- Piroelektrični fotodetektori obično rade u opsegu od nano do mikrosekundi, tako da je ovo stotinama ili hiljadama puta brže. Ovi rezultati su zaista uzbudljivi, ali i dalje radimo na tome da ih učinimo još bržim, dok istovremeno pokušavamo da odgonetnemo kinetičku granicu piroelektričnih fotodetektora - rekla je Šinova.

Tim veruje da može da poboljša ovaj već rekordni rezultat integracijom piroelektričnih materijala i električnih očitavanja u prostor između nanokocki i tankog sloja zlata. Takođe rade na dodavanju novih mogućnosti sistemima koji koriste ovaj dizajn, kao što je upotreba više metapovršina za istovremenu detekciju nekoliko različitih frekvencija svetlosti i njihovog polariteta.

(Telegraf Nauka/Duke University)