Новый детектор был разработан группой инженеров Университета Вандербильта под руководством доцента машиностроения Джейсона Валентайна, работавших с исследователями из Университета Огайо. Работа описана в статье, опубликованной 22 сентября в онлайн-журнале Nature Communications.
«Хотя это в значительной степени невидимо для человеческого зрения, состояние поляризации света может дать много ценной информации», — сказал Валентин. «Однако традиционный способ обнаружения требует нескольких оптических элементов, которые довольно громоздки и трудно поддаются миниатюризации. Нам удалось обойти это ограничение с помощью« метаматериалов »- материалов, обладающих свойствами, которые не встречаются в природе. . "Поляризованный свет бывает двух основных форм: линейный и круговой. В луче неполяризованного света электрические поля отдельных фотонов ориентированы в случайных направлениях.
В линейно поляризованном свете поля всех фотонов лежат в одной плоскости. В свете с круговой поляризацией (CPL) поля лежат в плоскости, которая непрерывно вращается на 360 градусов. В результате существует два типа циркулярно поляризованного света: правосторонний и левосторонний.Люди не могут легко различить состояние поляризации света, но есть ряд других видов, обладающих «p-видением».
К ним относятся каракатицы, креветки-богомолы, пчелы, муравьи и сверчки.Каракатицы также производят поляризованный свет на своей коже, что заставило ученых предположить, что они используют его как секретный канал связи, который не могут обнаружить ни их хищники, ни жертвы. Это привело к предположению, что CPL можно использовать для повышения безопасности оптической связи путем включения поляризованных каналов, которые были бы невидимы для тех, у кого нет надлежащих детекторов.
В отличие от неполяризованного света, CPL может обнаруживать разницу между правосторонними и левосторонними версиями молекул. Так же, как руки и перчатки, большинство биологических молекул имеют зеркальное отображение.
Это свойство называется хиральностью. Например, клетки содержат только левые аминокислоты, но они метаболизируют только правосторонние сахара (факт, используемый некоторыми искусственными подсластителями, в которых используются левые формы сахара, которые имеют такой же сладкий вкус, как и правосторонняя версия, но которые организм не может превратиться в жир).Хиральность может иметь огромное значение для лекарств, потому что их биологическая активность часто связана с их маневренностью. Например, одна форма дофамина эффективна при лечении болезни Паркинсона, в то время как другая форма снижает количество лейкоцитов.
Одна форма талидомида облегчает утреннее недомогание, а другая вызывает врожденные дефекты. Количество хиральных препаратов, используемых сегодня, оценивается в 2500, и большинство новых препаратов, находящихся в стадии разработки, являются хиральными.
«Недорогие детекторы CPL могут быть интегрированы в процесс производства лекарств, чтобы обеспечить обнаружение лекарств в реальном времени», — сказал докторант Университета Вандербильта Вэй Ли, сыгравший ключевую роль в разработке и тестировании устройства. «Портативные детекторы можно использовать для определения хиральности лекарств в больницах и в полевых условиях».Метаматериал, разработанный исследователями для обнаружения поляризованного света, состоит из серебряных нанопроволок, уложенных субмикроскопическим зигзагообразным узором на чрезвычайно тонком листе акрила, прикрепленном к оптически толстой серебряной пластине.
Этот метаматериал прикреплен ко дну кремниевой пластины стороной с нанопроволокой вверх.Нанопроволоки генерируют облако свободно текущих электронов, которые создают волны «плазмонной» плотности, которые эффективно поглощают энергию фотонов, проходящих через кремниевую пластину. В процессе поглощения образуются «горячие» или энергичные электроны, которые устремляются в пластину, где генерируют обнаруживаемый электрический ток.Зигзагообразный узор может быть выполнен как для правшей, так и для левшей.
Когда он правый, поверхность поглощает свет с правой круговой поляризацией и отражает свет с левой круговой поляризацией. Когда он левосторонний, он поглощает свет с левой круговой поляризацией и отражает свет с правой круговой поляризацией. Включая как правосторонние, так и левосторонние образцы поверхности, датчик может различать правый и левый циркулярно поляризованный свет.
Дважды предпринимались предыдущие попытки создать твердотельные детекторы поляризованного света. По словам Ли, использовались хиральные органические материалы, которые нестабильны на воздухе, работали только в узком диапазоне длин волн и имели ограниченный диапазон мощности. Другой был основан на более сложной многослойной конструкции, которая работала только при низких температурах.«В этом прелесть метаматериалов: вы можете создавать их так, чтобы они работали так, как вам хочется», — сказал Ли.
Эффективность их прототипа составляет 0,2 процента — слишком мало, чтобы быть коммерчески жизнеспособным. Однако теперь, когда они доказали жизнеспособность своего подхода, у них есть ряд идей, как повысить эффективность до уровня, сопоставимого с обычными фотодетекторами.