Ultra tynd, højhastighedsdetektor fanger et hidtil uset udvalg af lysbølger

Ny forskning ved University of Maryland kan føre til en generation af lysdetektorer, der kan se under overfladen af ​​kroppe, vægge, og andre genstande. Ved at bruge grafens særlige egenskaber, en todimensionel form for kulstof, der kun er et atom tyk, en prototypedetektor er i stand til at se et ekstraordinært bredt bånd af bølgelængder. Inkluderet i dette sortiment er et bånd af lysbølgelængder, der har spændende potentielle anvendelser, men som er notorisk svære at detektere:terahertz-bølger, som er usynlige for det menneskelige øje.

En forskningsartikel om den nye detektor blev offentliggjort søndag, 07 september, 2014 i Natur nanoteknologi . Hovedforfatter Xinghan Cai, en fysikstuderende ved University of Maryland, sagde en detektor som forskernes prototype "kunne finde applikationer i nye terahertz-felter såsom mobilkommunikation, medicinsk billeddannelse, kemisk sansning, nattesyn, og sikkerhed."

Det lys, vi ser oplyse hverdagsgenstande, er faktisk kun et meget smalt bånd af bølgelængder og frekvenser. Terahertz-lysbølgers lange bølgelængder og lave frekvenser falder mellem mikrobølger og infrarøde bølger. Lyset i disse terahertz-bølgelængder kan passere gennem materialer, som vi normalt opfatter som uigennemsigtige, såsom hud, plastik, tøj, og pap. Det kan også bruges til at identificere kemiske signaturer, der kun udsendes i terahertz-området.

Få teknologiske applikationer til terahertz-detektion er i øjeblikket realiseret, imidlertid, dels fordi det er svært at detektere lysbølger i dette område. For at bevare følsomheden, de fleste detektorer skal holdes ekstremt kolde, omkring 4 Kelvin, eller -452 grader Fahrenheit. Eksisterende detektorer, der fungerer ved stuetemperatur, er omfangsrige, langsom, og uoverkommeligt dyrt.

Den nye rumtemperaturdetektor, udviklet af University of Maryland-teamet og kolleger ved U.S. Naval Research Lab og Monash University, Australien, kommer uden om disse problemer ved at bruge grafen, et enkelt lag af indbyrdes forbundne carbonatomer. Ved at udnytte grafens særlige egenskaber, forskerholdet har været i stand til at øge hastigheden og opretholde følsomheden af ​​rumtemperaturbølgedetektion i terahertz-området.

Ved at bruge et nyt driftsprincip kaldet "hot-electron photothermoelectric effekt, " forskerholdet skabte en enhed, der er "lige så følsom som enhver eksisterende rumtemperaturdetektor i terahertz-området og mere end en million gange hurtigere, " siger Michael Fuhrer, professor i fysik ved University of Maryland og Monash University, Australien.

grafen, et ark af rent kulstof kun et atom tykt, er unikt egnet til brug i en terahertz-detektor, fordi når lys absorberes af elektronerne, der er suspenderet i grafenens honeycomb-gitter, de mister ikke deres varme til gitteret, men bevarer i stedet den energi.

Konceptet bag detektoren er enkelt, siger professor i fysik ved University of Maryland Dennis Drew. "Lys absorberes af elektronerne i grafen, som varmes op, men ikke mister deres energi let. Så de forbliver varme, mens kulstofatomgitteret forbliver koldt." Disse opvarmede elektroner undslipper grafen gennem elektriske ledninger, meget som damp, der slipper ud fra en te-kedel. Prototypen bruger to elektriske ledninger lavet af forskellige metaller, som leder elektroner med forskellig hastighed. På grund af denne ledningsevneforskel, flere elektroner slipper ud gennem den ene end den anden, producerer et elektrisk signal.

Dette elektriske signal registrerer tilstedeværelsen af ​​terahertz-bølger under overfladen af ​​materialer, der virker uigennemsigtige for det menneskelige øje - eller endda røntgenstråler. Du kan ikke se gennem din hud, for eksempel, og et røntgenbillede går lige gennem huden til knoglen, mangler helt lagene lige under hudens overflade. Terahertz-bølger ser det derimellem. Hastigheden og følsomheden af ​​rumtemperaturdetektoren præsenteret i denne forskning åbner døren til fremtidige opdagelser i denne mellemzone.