Η ανίχνευση φωτός και ακτινοβολίας σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι απαραίτητη, αλλά ορισμένες περιοχές παραμένουν ιδιαίτερα απαιτητικές. Ένα από αυτά είναι η περιοχή terahertz (THz), η οποία βρίσκεται ανάμεσα στα μικροκύματα και το υπέρυθρο φως. Οι υπάρχοντες ανιχνευτές για αυτές τις συχνότητες είναι συχνά αργοί, στερούνται ευαισθησίας ή βασίζονται σε μεγάλο, ακριβό εξοπλισμό που απαιτεί συχνή κρυογονική ψύξη.
Οι ερευνητές έχουν τώρα αναπτύξει έναν συμπαγή νέο ανιχνευτή που συνδυάζει την κβαντική φυσική με μια ειδικά σχεδιασμένη μετα-επιφάνεια για να βελτιώσει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο η ακτινοβολία terahertz συλλαμβάνεται και μετατρέπεται σε ηλεκτρικά σήματα. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα Προηγμένη φωτονική.
Μια κβαντική μέθοδος για την ανίχνευση terahertz
Η νέα συσκευή βασίζεται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εντός του επιπέδου. Σε αυτή τη διαδικασία, τα εισερχόμενα φωτόνια terahertz μεταφέρουν ενέργεια σε ηλεκτρόνια που περιορίζονται σε ένα δισδιάστατο αέριο ηλεκτρονίων. Αυτά τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια περνούν από ένα προσεκτικά σχεδιασμένο βήμα δυναμικού, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα που μπορεί να μετρηθεί.
Σε αντίθεση με τους συμβατικούς φωτοηλεκτρικούς ανιχνευτές, αυτή η διαδικασία δεν απαιτεί τα φωτόνια να υπερβαίνουν ένα ελάχιστο όριο ενέργειας. Επειδή η διαδικασία λαμβάνει χώρα εξ ολοκλήρου εντός του επιπέδου του υλικού, αποφεύγει επίσης αρκετούς περιορισμούς απόδοσης που περιόρισαν τα προηγούμενα σχέδια ανιχνευτών.
Προηγούμενοι ανιχνευτές που βασίζονταν στην ίδια αρχή έδειξαν πολλά υποσχόμενη ευαισθησία, αλλά έπιασαν μόνο ένα μικρό κλάσμα της εισερχόμενης ακτινοβολίας επειδή βασίζονταν σε ξεχωριστά στοιχεία κεραίας.
Το Metasurface συγκεντρώνει την ακτινοβολία σε μικρή περιοχή ανίχνευσης
Για να ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό, η ερευνητική ομάδα σχεδίασε τον ανιχνευτή γύρω από μια μετα-επιφάνεια, μια δομή με σχέδια που συγκεντρώνει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε μια εξαιρετικά μικρή περιοχή.
Η συσκευή χρησιμοποιεί ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο “πλινθοδομής” που εξυπηρετεί δύο σκοπούς. Συλλέγει την εισερχόμενη ακτινοβολία terahertz και τη διοχετεύει σε στενά κενά όπου λαμβάνει χώρα η διαδικασία ανίχνευσης.
Κάθε κενό λειτουργεί ως ξεχωριστός ανιχνευτής. Διανέμοντας πολλά από αυτά τα στοιχεία ανίχνευσης σε όλη την επιφάνεια και συνδέοντάς τα ηλεκτρονικά μεταξύ τους, οι ερευνητές μπόρεσαν να συνδυάσουν τις εξόδους τους σε ένα ισχυρό συνολικό σήμα.
Αυτή η προσέγγιση εξαλείφει την ανάγκη για εξωτερικά οπτικά ή πολύπλοκες συστοιχίες ανιχνευτών. Αυτό διασφαλίζει ότι η εισερχόμενη ακτινοβολία συγκεντρώνεται μόνο στην περιοχή όπου συμβάλλει άμεσα στη δημιουργία σήματος.
Ενσωμάτωση συλλογής και ανίχνευσης φωτός
Αντί να σχεδιάσει χωριστά τον ανιχνευτή και το σύστημα συλλογής φωτός, η ομάδα ξεκίνησε με την ίδια την μετα-επιφάνεια και κατασκεύασε τα στοιχεία ανίχνευσης απευθείας στην περιοχή όπου το ηλεκτρικό πεδίο είναι ισχυρότερο.
Μεμονωμένα φωτοηλεκτρικά συντονίσιμα στοιχεία ανίχνευσης βημάτων (PETS) ενσωματώθηκαν μέσα στο χωρητικό κενό της μετα-επιφάνειας.
«Αυτό εξασφαλίζει τη βέλτιστη σύνδεση της μετα-επιφάνειας με το υλικό ανίχνευσης», σημειώνει ο αντίστοιχος συγγραφέας Wladislaw Michailow, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και αργότερα στο Πανεπιστήμιο του Swansea στο Ηνωμένο Βασίλειο.
«Σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο παράλληλης σύνδεσης πολλαπλών συσκευών, αυτή η μέθοδος μας επιτρέπει να αυξήσουμε σημαντικά την ευαισθησία ανίχνευσης», προσθέτει η Μιχαήλου.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις υπολογιστή για να βελτιστοποιήσουν σημαντικά δομικά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένων των διαστάσεων του χάσματος και της απόστασης μεταξύ των επαναλαμβανόμενων μονάδων. Αυτές οι παράμετροι καθορίζουν πόσο στενά περιορίζεται το ηλεκτρικό πεδίο και τελικά πόσο φωτορεύμα δημιουργείται. Ο τελικός σχεδιασμός εξισορροπεί τη βελτίωση πεδίου με το πλάτος του διαύλου ηλεκτρονίων για να μεγιστοποιήσει τη μετρήσιμη απόδοση.
Σχεδιασμός φιλικός στους ημιαγωγούς
Ο ανιχνευτής κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια ημιαγωγική δομή που περιέχει ένα αέριο ηλεκτρονίων υψηλής κινητικότητας. Η διαδικασία κατασκευής είναι παρόμοια με τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται ήδη για τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, προσφέροντας μια πρακτική πορεία προς την ενοποίηση με τα υπάρχοντα ηλεκτρονικά συστήματα.
Δεδομένου ότι η ίδια η μετα-επιφάνεια εστιάζει την εισερχόμενη ακτινοβολία, τα εξωτερικά στοιχεία εστίασης όπως οι φακοί πυριτίου δεν είναι απαραίτητα. Αυτό απλοποιεί τη συναρμολόγηση και μπορεί να κάνει την παραγωγή μεγάλης κλίμακας πιο πρακτική.
Για να δοκιμάσουν τη συσκευή, οι ερευνητές την ψύξαν στους 10 K και την εξέθεσαν σε ακτινοβολία γύρω στα 1,9 THz. Ο ανιχνευτής παρήγαγε μια καθαρή ηλεκτρική απόκριση που ταίριαζε με το μοτίβο διαμόρφωσης on-off του εισερχόμενου σήματος.
Εικοσιπλάσια βελτίωση στην απόδοση
Οι μετρήσεις αποκάλυψαν μια υποχρέωση 2,7 αμπέρ ανά watt.
Η συσκευή proof-of-concept πέτυχε εξωτερική κβαντική απόδοση 2,1 τοις εκατό στα 1,9 THz, η οποία αντιπροσωπεύει μια σχεδόν εικοσαπλάσια βελτίωση σε σχέση με τους ανιχνευτές PETS που είχαν αποδειχθεί προηγουμένως.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, μεγάλο μέρος αυτού του κέρδους απόδοσης προέρχεται από την ικανότητα της μετα-επιφάνειας να συλλαμβάνει ένα μεγαλύτερο μέρος της εισερχόμενης ακτινοβολίας και να την εστιάζει απευθείας στην ενεργό περιοχή του ανιχνευτή.
Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι ο ανιχνευτής λειτουργεί με μηδενική πόλωση πηγής-αποχέτευσης. Βοηθά στη μείωση του θορύβου εξαλείφοντας τα σκοτεινά ρεύματα.
«Οι συσκευές είναι άμεσοι ανιχνευτές που λειτουργούν με μηδενική προκατάληψη και επομένως λειτουργούν χωρίς σκοτεινό ρεύμα», παρατηρεί ο πρώτος συγγραφέας Ruqiao Xia, ο οποίος κατασκεύασε και μέτρησε τις συσκευές ως μέρος της διδακτορικής του έρευνας στο Semiconductor Physics Group στο Cavendish Laboratory στο Πανεπιστήμιο του Cambridge.
Επειδή ο σχεδιασμός μπορεί να κλιμακωθεί γεωμετρικά, η ίδια ιδέα θα μπορούσε ενδεχομένως να προσαρμοστεί για χρήση σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων από μικροκύματα έως μήκη κύματος μεσαίου υπέρυθρου.
Πιθανές εφαρμογές σε πολλά πεδία
Η επίπεδη αρχιτεκτονική προσφέρει επίσης πρακτικά πλεονεκτήματα. Επειδή είναι συμβατός με τις τυπικές τεχνικές κατασκευής ημιαγωγών, ο ανιχνευτής μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας με ηλεκτρονικά στο chip.
Η χρήση επίπεδων μεταεπιφανειών εξαλείφει την ανάγκη για ακριβή ευθυγράμμιση εξωτερικών οπτικών εξαρτημάτων, απλοποιώντας τη συσκευασία και την ανάπτυξη σε σύγκριση με πολλά υπάρχοντα συστήματα terahertz.
Οι ερευνητές πιστεύουν επίσης ότι η τεχνολογία μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλότερες θερμοκρασίες από πολλές ανταγωνιστικές πλατφόρμες ανιχνευτών. Παρόμοιοι ανιχνευτές PETS έχουν ήδη επιδείξει απόδοση σε θερμοκρασίες που μπορούν να επιτευχθούν με συμπαγείς κρυοψύκτες αντί να απαιτούν ψύξη υγρού ηλίου.
Αυτό θα μπορούσε να συμβάλει στην κάλυψη ενός σημαντικού κενού μεταξύ των εξαιρετικά ευαίσθητων κρυογονικών ανιχνευτών και των συσκευών χαμηλής ευαισθησίας σε θερμοκρασία δωματίου, επεκτείνοντας ενδεχομένως το φάσμα των πραγματικών εφαρμογών terahertz.
Η έρευνα αντιπροσωπεύει την πρώτη επίδειξη ενός κβαντικού φωτοανιχνευτή μετα-επιφανείας που βασίζεται σε ένα δισδιάστατο σύστημα ηλεκτρονίων. Συνδυάζοντας την εξαιρετικά αποδοτική σύλληψη φωτός με έναν ευαίσθητο μηχανισμό κβαντικής ανίχνευσης, το έργο σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την αντιμετώπιση μακροχρόνιων προκλήσεων στην τεχνολογία terahertz.
«Τα αποτελέσματα είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα λόγω των εφαρμογών που θα μπορούσε να επιτρέψει η τεχνολογία terahertz σε ασύρματα δίκτυα, υγειονομική περίθαλψη, αστρονομία, βιοϊατρική, διασφάλιση ποιότητας κατασκευής και πολλά άλλα», σχολίασε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας David Ritchie του Semiconductor Physics Group.
Με την ενσωμάτωση των οπτικών μετα-επιφανειών απευθείας στον ανιχνευτή, οι ερευνητές αποδεικνύουν πώς οι πρόοδοι στην κβαντική φυσική και τη μηχανική υλικών μπορούν να βοηθήσουν στο ξεκλείδωμα του πλήρους δυναμικού της τεχνολογίας terahertz.
