Исследовательская статья о новом детекторе была опубликована в Интернете 7 сентября 2014 года в журнале Nature Nanotechnology. Ведущий автор Синхан Цай, аспирант факультета физики Университета Мэриленд, сказал, что детектор, подобный прототипу исследователей, «может найти применение в новых терагерцовых областях, таких как мобильная связь, медицинская визуализация, химическое зондирование, ночное видение и безопасность».
Свет, который мы видим, освещая повседневные предметы, на самом деле представляет собой очень узкую полосу длин волн и частот. Длинные волны и низкие частоты терагерцовых световых волн находятся между микроволнами и инфракрасными волнами.
Свет в этих терагерцовых длинах волн может проходить через материалы, которые мы обычно считаем непрозрачными, такие как кожа, пластик, одежда и картон. Его также можно использовать для идентификации химических сигнатур, которые излучаются только в терагерцовом диапазоне.Однако в настоящее время реализовано мало технологических приложений для обнаружения терагерцового диапазона, отчасти потому, что в этом диапазоне трудно обнаружить световые волны. Для поддержания чувствительности большинство детекторов необходимо держать в очень холодном состоянии, около 4 Кельвина или -452 градуса по Фаренгейту.
Существующие детекторы, работающие при комнатной температуре, громоздки, медленны и чрезмерно дороги.Новый детектор комнатной температуры, разработанный командой UMD и коллегами из Военно-морской исследовательской лаборатории США и Университета Монаша, Австралия, позволяет обойти эти проблемы с помощью графена, единственного слоя взаимосвязанных атомов углерода.
Используя особые свойства графена, исследовательская группа смогла увеличить скорость и сохранить чувствительность обнаружения волн при комнатной температуре в терагерцовом диапазоне.Используя новый принцип работы, называемый «фототермоэлектрический эффект горячих электронов», исследовательская группа создала устройство, которое «столь же чувствительно, как любой существующий датчик комнатной температуры в терагерцовом диапазоне, и более чем в миллион раз быстрее», — говорит Майкл Фюрер, профессор. физики в UMD и Университете Монаша.Графен, лист чистого углерода толщиной всего в один атом, уникально подходит для использования в терагерцовом детекторе, потому что, когда свет поглощается электронами, взвешенными в сотовой решетке графена, они не теряют свое тепло в решетке, а вместо этого сохраняют эта энергия.По словам профессора физики Университета Мэриленд Деннис Дрю, концепция детектора проста. «Свет поглощается электронами в графене, которые нагреваются, но не теряют свою энергию легко.
Поэтому они остаются горячими, в то время как атомная решетка углерода остается холодной». Эти нагретые электроны покидают графен через электрические провода, как пар, выходящий из чайника.
В прототипе используются два электрических вывода из разных металлов, которые проводят электроны с разной скоростью. Из-за этой разницы в проводимости больше электронов вылетает через один, чем через другой, создавая электрический сигнал.Этот электрический сигнал обнаруживает присутствие терагерцовых волн под поверхностью материалов, которые кажутся непрозрачными для человеческого глаза, или даже рентгеновских лучей.
Например, вы не можете видеть сквозь кожу, а рентгеновский луч проходит через кожу до кости, полностью пропуская слои, расположенные под поверхностью кожи. Волны терагерцового диапазона видят промежуток между ними.
Скорость и чувствительность детектора комнатной температуры, представленные в этом исследовании, открывают дверь для будущих открытий в этой промежуточной зоне.