Opdagelse fører til ultralydsmæssig måde at måle lys på

Et hold af UO-fysikere har trommede en ny måde at måle lys på:ved at bruge mikroskopiske trommer til at høre lys.

Teknologien fra Alemán Lab, kendt som et "grafen nanomekanisk bolometer, " udnytter en lovende ny metode og materiale til at detektere næsten enhver lysfarve ved høje hastigheder og høje temperaturer.

"Dette værktøj er det hurtigste og mest følsomme i sin klasse, " sagde Benjamín Alemán, en professor i fysik og medlem af UO's Center for Optisk, Molekylær, og Quantum Science og en associeret med Phil og Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

Enheden tilbyder et alternativ til den konventionelle måde at bruge elektricitet til at måle lys, som findes i enheder som en smartphones kamera. I stedet, denne mekaniske metode fanger vibrationerne fra uendeligt tynde tromler, der er forårsaget af lys. Fysikerne opnår målinger ved at lytte til lyden af ​​lyset, der absorberes af trommeskinnet.

Den måde, teknologien fungerer på, ligner effekten af ​​at banke på en tromme på en varm dag. Når instrumentet varmes op under den rørende sol, tromlehovedmembranen vil ekspandere og dens tonehøjde ændres, udsender en anden tone end ved køligere temperaturer.

Lysbølgerne gør det samme ved de mekaniske bolometre. Når lyset rammer enhedens trommehoved, membranen varmes op, udvider sig, og vibrationshøjden ændres. Fysikerne kan spore disse tonehøjdeændringer for at måle, hvor meget lys der rammer enheden.

"Dette er en meget ny måde at detektere lys på, " sagde David Miller, en ph.d.-studerende i Alemán Lab. "Vi bruger en rent mekanisk metode til at omdanne lys til lyd. Dette har den fordel, at vi kan se et meget bredere lysområde."

Han fortsætter med at forklare, at konventionelle detektorer er meget pålidelige til at læse højenergilys, som synligt lys eller røntgenstråler, men mindre dygtige til at måle de længere bølgelængder på det elektromagnetiske spektrum, herunder infrarøde og radiobølger. Den mekaniske enhed udfylder dette tomrum og gør det muligt for fysikerne at detektere lys af næsten enhver bølgelængde, som kunne være særlig nyttig i astronomiske observationer, termisk og medicinsk kropsbilleddannelse og se dybt ind i det infrarøde.

Holdet konstruerede enheden ved først at strække et tyndt ark atomer over et hul ætset ind i et stykke silicium. Derefter, ved at bruge en teknik udviklet tidligere i laboratoriet, de skærer lagnet til, så det ligner en trampolin – en virkelig, rigtig lille trampolin.

Enheden er en tiendedel af bredden af ​​et menneskehår, mens materialet, der bruges til trampolinen, er endnu mindre - et enkelt atom tykt, omkring en million gange tyndere end den samme hårstreng.

"Dette system bruger grafen, som kun er et enkelt lag af atomer. Den er så lille, som den kan blive, sagde Andrew Blaikie, en anden ph.d.-studerende i Alemán Lab og hovedforfatter på papiret, som blev offentliggjort i Naturkommunikation denne uge.

Graphene, et materiale opdaget i 2004, er nøgleingrediensen for teknologiens succes. Det er en lille, men mægtig, materiale. Selvom det er det tyndest mulige materiale, grafen er 200 gange stærkere end stål og ekstraordinært fleksibel. Dets opdager vandt endda 2010 Nobelprisen i fysik for dets potentiale til at revolutionere fysik og teknik.

Grafens mekaniske egenskaber gør det muligt for materialet at reagere på temperaturændringer utroligt hurtigt, hvilket gør det muligt at måle lys med lige så hurtige hastigheder.

"Graphene tilbød en fristende udsigt til ultrafølsom og ultrahurtig lysdetektion, " sagde Blaikie. "Den har også en uovertruffen evne til at måle næsten enhver bølgelængde af lys og kan modstå meget højere temperaturer end konventionelle detektorer."

Fysikerteamet var i stand til at udnytte grafens kræfter gennem sin mekaniske tilgang til måling af lys. Mens sprængfyldt med potentiale for lysdetektion, materialet har klaret sig dårligt gennem de traditionelle metoder til at bruge elektrisk modstand til at måle lys, hovedsagelig på grund af dets behov for at blive kølet til ultralave temperaturer for at være anvendeligt i konventionelle detektorer.

Da de indså, at de kunne omdanne lys til lyd gennem deres mekaniske metode, de var i stand til at låse op for mulighederne for grafen og skabe de ultrahurtige, ultrafølsom enhed, der udmærker sig ved, og langt over, stuetemperatur.

Dens evne til at præstere ved et så bredt temperaturområde er en af ​​enhedens mest fordelagtige egenskaber, når det kommer til måling af lys, Forklarede Blaikie. Den kan fungere ved stuetemperatur, som giver mulighed for kritisk portabilitet, og det kan fungere under høj varme, hvilket er en fordel, som traditionelle lysdetektorer ikke tilbyder, da mange af dem vil fejle det, der er kendt som "solskoldningseffekten, "når de begynder at bryde sammen, når temperaturen stiger.

"Graphene er et termisk stabilt materiale, der kan modstå temperaturer over 2, 000 grader Celsius, " sagde Blaikie.

Dets alsidighed og ultrafølsomme natur placerer det nanomekaniske bolometer for at være et nyttigt værktøj på mange arenaer på tværs af videnskab, medicin, industriel fremstilling og astronomi. Alemán Lab har anmeldt patent på teknologien.

"Vi håber, at denne enhed vil hjælpe videnskabsmænd med at knække mysterierne om vores sol og andre stjerner, forbedre medicinsk diagnostik gennem sikrere termisk røntgenbilleddannelse, og hjælpe brandmænd med at se bedre i brande for at redde flere liv, " sagde Alemán.