Drastiske faseændringer i topologisk konstruerede plane absorbere forbedrer følsomheden af ​​optiske sensorer

Ikke-invasiv optisk temperaturføling er afgørende for fjernovervågning af fremstillingsprocesser, i situationer, hvor prøven skal isoleres fra miljøet, ved ekstreme eller hurtigt skiftende temperaturer, og i nærvær af stærke og varierende magnetfelter. Optiske temperatursensorer måler frekvensskift af optiske resonanser og kræver ofte lange optiske veje for at kompensere for meget små termoptiske koefficienter af materialer.

Imidlertid, en lysfase er en cyklisk variabel, som er udefineret på tidspunktet for fuldstændig destruktiv interferens, og varierer hurtigt i nærheden af ​​dette punkt. For eksempel, et faseskift af den plane bølge, der reflekteres fra en plan grænseflade, udviser enestående adfærd ved frekvenser, hvor overfladereflektansen forsvinder. Snævre asymmetriske spektrale træk i sensorens faserespons nær sådanne enkeltpunkter er meget følsomme over for miljøændringer og kan bruges til at forbedre følsomheden af ​​fjernsensorer med optisk transduktion.

Plasmoniske metasurfaces kan designes til at opnå en-fase tilstand, alligevel kræver dette typisk komplekst elektromagnetisk design og lav-throughput fremstillingsteknikker såsom elektronstrålelitografi. I et nyt værk, et internationalt team ledet af en MIT-forsker Dr. Svetlana Boriskina udviklede en enkel og robust plan singular-phase sensing platform til fjerndetektion af temperatur, som ikke kræver nano-mønster og udviser singulære faseadfærd på grund af excitationen af ​​topologisk beskyttede Tamm-overfladetilstande.

Forskerne konstruerede Tamm-stater på plane materialegrænseflader mellem metal og dielektriske tynde film ved at bruge grænse-bulk-korrespondanceprincippet, der er vedtaget fra topologiske materialers fysik og den konjugerede impedanstilpasningstilgang, der er lånt fra antenneteorien. De demonstrerede singular-fase temperaturdetektion med en forbedring af sensorfølsomheden over en størrelsesorden og forbedring af mere end to størrelsesordener i værdien i forhold til standardtilgangen til at måle skift af resonanstræk i reflektansspektrene for den samme sensor.

Plane strukturer, der understøtter Tamm-grænsefladetilstande, kan fremstilles ved at bruge en række forskellige materialer, inklusive dem, der er kompatible med standard komplementære metaloxidhalvlederteknologier (CMOS). Resonansbølgelængderne af Tamm-sensorer er meget justerbare, og er ikke direkte afhængige af absorbermaterialets plasmafrekvens. Sensorerne er modtagelige for hurtig og storstilet fremstilling ved enten sputtering eller dampaflejringsteknikker.

I modsætning til nanomønstrede plasmoniske sensorer, plane Tamm-detektorer kan bruges under barske miljøforhold, herunder ætsende atmosfære og høje temperaturer, som kan forårsage alvorlig nedbrydning af nanostruktureret overfladetekstur. Selvom de udviklede Tamm-absorbere kun blev karakteriseret som temperatursensorer, de tilbyder en enkel, Følsom og justerbar platform til en bred vifte af registreringsapplikationer, herunder overvågning af bio/kemiske bindingshændelser på overfladen og miljøregistrering.

Resultaterne af dette arbejde er rapporteret i ACS Fotonik papir "Topologisk konstruktion af grænsefladeoptiske Tamm-tilstande til meget følsom næsten-enkeltfaset optisk detektion."