![Afbeelding toont terahertz-verlichting (gele curven rechtsboven) die het nieuwe camerasysteem binnenkomt, waar het kwantumstippen in gaten op nanoschaal (weergegeven als verlichte ringen) stimuleert om zichtbaar licht uit te zenden, dat vervolgens wordt gedetecteerd met behulp van een CMOS-gebaseerde chip (linksonder) zoals die in digitale camera's. Krediet: Massachusetts Institute of Technology MIT-ingenieurs ontwikkelen een goedkope terahertz-camera](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2022/mit-engineers-develop-2.jpg)
Afbeelding toont terahertz-verlichting (gele curven rechtsboven) die het nieuwe camerasysteem binnenkomt, waar het kwantumstippen in gaten op nanoschaal (weergegeven als verlichte ringen) stimuleert om zichtbaar licht uit te zenden, dat vervolgens wordt gedetecteerd met behulp van een CMOS-gebaseerde chip (linksonder) zoals die in digitale camera’s. Krediet: Massachusetts Institute of Technology
Terahertz-straling, waarvan de golflengten tussen die van microgolven en zichtbaar licht liggen, kan veel niet-metalen materialen binnendringen en handtekeningen van bepaalde moleculen detecteren. Deze handige eigenschappen kunnen zich lenen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder het scannen van luchthavens, industriële kwaliteitscontrole, astrofysische observaties, niet-destructieve karakterisering van materialen en draadloze communicatie met een hogere bandbreedte dan de huidige mobiele telefoonbanden.
Het ontwerpen van apparaten voor het detecteren en maken van afbeeldingen van terahertz-golven was echter een uitdaging, en de meeste bestaande terahertz-apparaten zijn duur, traag en omvangrijk en vereisen vacuümsystemen en extreem lage temperaturen.
Nu hebben onderzoekers van MIT, de Universiteit van Minnesota en Samsung een nieuw soort camera ontwikkeld die terahertz-pulsen snel, met hoge gevoeligheid en bij kamertemperatuur en druk kan detecteren. Bovendien kan het tegelijkertijd informatie over de oriëntatie of “polarisatie” van de golven in realtime vastleggen, wat bestaande apparaten niet kunnen. Deze informatie kan worden gebruikt om materialen met asymmetrische moleculen te karakteriseren of om de oppervlaktetopografie van materialen te bepalen.
Het nieuwe systeem maakt gebruik van deeltjes die kwantumdots worden genoemd en waarvan onlangs is ontdekt dat ze zichtbaar licht kunnen uitzenden wanneer ze worden gestimuleerd door terahertz-golven. Het zichtbare licht kan dan worden opgenomen door een apparaat dat vergelijkbaar is met de detector van een standaard elektronische camera en zelfs met het blote oog kan worden gezien. Het apparaat wordt beschreven in een artikel dat op 4 november in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie door MIT-promovendus Jiaojian Shi, hoogleraar scheikunde Keith Nelson, en 12 anderen.
Het team produceerde twee verschillende apparaten die bij kamertemperatuur kunnen werken: de ene gebruikt het vermogen van de kwantumdot om terahertz-pulsen om te zetten in zichtbaar licht, waardoor het apparaat afbeeldingen van materialen kan produceren; de andere produceert beelden die de polarisatietoestand van de terahertz-golven tonen.
De nieuwe “camera” bestaat uit verschillende lagen, gemaakt met standaard fabricagetechnieken zoals die worden gebruikt voor microchips. Een reeks van evenwijdige goudlijnen op nanoschaal, gescheiden door smalle spleten, ligt op het substraat; daarboven bevindt zich een laag van het lichtemitterende quantum dot-materiaal; en daarboven is een CMOS-chip die wordt gebruikt om een afbeelding te vormen. De polarisatiedetector, een polarimeter genaamd, gebruikt een vergelijkbare structuur, maar met ringvormige sleuven op nanoschaal, waardoor hij de polarisatie van de inkomende stralen kan detecteren.
De fotonen van terahertz-straling hebben een extreem lage energie, legt Nelson uit, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn. “Dus wat dit apparaat doet, is dat kleine kleine fotonenergie omzetten in iets zichtbaars dat gemakkelijk te detecteren is met een gewone camera”, zegt hij. In de experimenten van het team was het apparaat in staat om terahertz-pulsen te detecteren bij lage intensiteitsniveaus die de capaciteit van de huidige grote en dure systemen overtreffen.
De onderzoekers demonstreerden de mogelijkheden van de detector door terahertz-verlichte foto’s te maken van enkele van de structuren die in hun apparaten worden gebruikt, zoals de gouden lijnen op nano-afstand en de ringvormige spleten die worden gebruikt voor de gepolariseerde detector, waarmee de gevoeligheid en resolutie van het systeem.
Het ontwikkelen van een praktische terahertz-camera vereist een component die terahertz-golven produceert om een onderwerp te verlichten, en een andere die ze detecteert. Op het laatste punt zijn de huidige terahertz-detectoren ofwel erg traag, omdat ze afhankelijk zijn van het detecteren van warmte die wordt gegenereerd door de golven die een materiaal raken, en warmte plant zich langzaam voort, ofwel gebruiken ze fotodetectoren die relatief snel zijn, maar een zeer lage gevoeligheid hebben. Bovendien hadden de meeste benaderingen tot nu toe een hele reeks terahertz-detectoren nodig, die elk één pixel van het beeld produceerden. “Iedereen is vrij duur”, zegt Shi, dus “zodra ze een camera beginnen te maken, beginnen de kosten van de detectoren heel, heel snel te stijgen.”
Hoewel de onderzoekers zeggen dat ze het terahertz-pulsdetectieprobleem met hun nieuwe werk hebben opgelost, blijft het gebrek aan goede bronnen bestaan - en wordt door veel onderzoeksgroepen over de hele wereld aan gewerkt. De terahertz-bron die in de nieuwe studie wordt gebruikt, is een grote en omslachtige reeks lasers en optische apparaten die niet gemakkelijk kunnen worden geschaald naar praktische toepassingen, zegt Nelson, maar nieuwe micro-elektronische technieken op basis van bronnen zijn volop in ontwikkeling.
“Ik denk dat dat echt de snelheidsbeperkende stap is: kun je de… [terahertz] signalen op een gemakkelijke manier die niet duur is?” zegt hij. “Maar er is geen twijfel over mogelijk.”
Sang-Hyun Oh, een co-auteur van het artikel en een McKnight-hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Minnesota, voegt eraan toe dat hoewel de huidige versies van terahertz-camera’s tienduizenden dollars kosten, het goedkope karakter van CMOS-camera’s die worden gebruikt voor dit systeem maakt het “een grote stap voorwaarts in de richting van het bouwen van een praktische terahertz-camera.” Het potentieel voor commercialisering leidde ertoe dat Samsung, dat CMOS-camerachips en quantum dot-apparaten maakt, meewerkte aan dit onderzoek.
Traditionele detectoren voor dergelijke golflengten werken bij vloeibare heliumtemperaturen (-452 graden Fahrenheit), zegt Nelson, wat nodig is om de extreem lage energie van de terahertz-fotonen uit achtergrondruis te halen. Het feit dat dit nieuwe apparaat beelden van deze golflengten kan detecteren en produceren met een conventionele camera met zichtbaar licht bij kamertemperatuur, was onverwacht voor degenen die in het terahertz-veld werken. “Mensen zijn als, ‘Wat?’ Het is een beetje ongehoord en mensen worden erg verrast”, zegt Oh.
Er zijn veel mogelijkheden om de gevoeligheid van de nieuwe camera verder te verbeteren, zeggen de onderzoekers, waaronder verdere miniaturisatie van de componenten en manieren om de kwantumstippen te beschermen. Zelfs bij de huidige detectieniveaus zou het apparaat enkele potentiële toepassingen kunnen hebben, zeggen ze.
Wat betreft het commercialiseringspotentieel voor het nieuwe apparaat, zegt Nelson dat kwantumdots nu goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar zijn en momenteel worden gebruikt in consumentenproducten zoals televisieschermen. De feitelijke fabricage van de camera-apparaten is complexer, zegt hij, maar is ook gebaseerd op bestaande micro-elektronicatechnologie. In feite kan, in tegenstelling tot bestaande terahertz-detectoren, de hele terahertz-camerachip worden vervaardigd met behulp van de huidige standaard microchipproductiesystemen, wat betekent dat uiteindelijk massaproductie van de apparaten mogelijk en relatief goedkoop moet zijn.
Hoewel het camerasysteem nog lang niet op de markt is, gebruiken onderzoekers van MIT het nieuwe laboratoriumapparaat al wanneer ze een snelle manier nodig hebben om terahertz-straling te detecteren. “We hebben niet zo’n dure camera”, zegt Nelson, “maar we hebben veel van deze kleine apparaten. Mensen steken er een in de straal en kijken met het oog naar de emissie van zichtbaar licht, zodat ze weten wanneer de terahertz-straal is aan. … Mensen vonden het erg handig.”
Hoewel terahertz-golven in principe kunnen worden gebruikt om enkele astrofysische verschijnselen te detecteren, zouden die bronnen extreem zwak zijn en het nieuwe apparaat is niet in staat om dergelijke zwakke signalen op te vangen, zegt Nelson, hoewel het team werkt aan het verbeteren van de gevoeligheid ervan. “De volgende generatie ligt in het kleiner maken van alles, dus het zal veel gevoeliger zijn”, zegt hij.
Meer informatie:
Jiaojian Shi et al, Een polarisatiegevoelige CMOS terahertz-camera bij kamertemperatuur op basis van quantum-dot-versterkte terahertz-naar-zichtbare foton-upconversie, Natuur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
Journaal informatie:
Natuur Nanotechnologie
Geleverd door het Massachusetts Institute of Technology