Sguardo per strato al nuovo rivelatore a infrarossi di metamateriali, con viste simulate della sua distribuzione della temperatura (in alto a destra), campo elettrico (in basso a sinistra), e come assorbe potenza (in basso a destra). Credito:Willie Padilla, Duke University
Gli scienziati e gli ingegneri dei materiali hanno sviluppato un sensore veloce, abbastanza sensibile ed efficiente da rilevare lunghezze d'onda specifiche dell'energia elettromagnetica durante gli spostamenti. La tecnologia potrebbe scansionare attivamente le aree alla ricerca di perdite di metano o gas naturale, monitorare la salute di vasti campi coltivati o selezionare rapidamente la plastica per il riciclaggio.
Lavorando a stretto contatto con l'azienda di materiali optoelettronici SRICO, gli ingegneri della Duke University hanno costruito un prototipo di rilevatore che batte la concorrenza esistente in termini di dimensioni, il peso, potenza, velocità e, più importante, costo.
La nuova tecnologia si basa su metamateriali, strutture ingegnerizzate fatte di cellule ripetitive accuratamente progettate che possono interagire con le onde elettromagnetiche in modi innaturali. Combinando modelli di metallo apparentemente semplici con fette estremamente sottili di cristalli perfetti, gli ingegneri hanno creato un dispositivo aerodinamico in grado di rilevare le firme infrarosse invisibili emesse da vari tipi di gas, plastica e altre fonti.
I risultati sono apparsi il 20 febbraio 2017, nel diario ottica .
"Il vantaggio dell'utilizzo dei metamateriali è che i diversi componenti richiesti in un rilevatore possono essere combinati in un'unica caratteristica, " disse Willie Padilla, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Questa semplificazione ti fa guadagnare molta efficienza."
In un tipico rilevatore termico, le onde luminose infrarosse vengono assorbite e convertite in calore da una sostanza nera, essenzialmente fuliggine. Quel calore viene condotto a un componente separato che crea un segnale elettrico che viene poi letto. Questa configurazione crea limitazioni di velocità, e solo sovrapponendo filtri o un complesso sistema di specchi mobili, possono essere individuate lunghezze d'onda specifiche.
Un prototipo di rilevatore a infrarossi realizzato con la nuova tecnologia dei metamateriali di SRICO. Attestazione:SRICO
Il nuovo sensore metamateriale aggira entrambi questi problemi.
Ogni minuscola sezione del rivelatore è costituita da un motivo d'oro posto sopra un cristallo di niobato di litio. Questo cristallo è piroelettrico, nel senso che quando fa caldo, crea una carica elettrica. Come tagliare un pezzo di formaggio da un blocco, Gli ingegneri di SRICO usano un raggio ionico per sbucciare una fetta di cristallo spessa appena 600 nanometri. Questa tecnica elimina potenziali difetti nella struttura cristallina, che riduce il rumore di fondo. Crea anche una fetta più sottile rispetto ad altri approcci, permettendo al cristallo di riscaldarsi più velocemente.
ordinariamente, questo cristallo è così sottile che la luce passerebbe semplicemente attraverso senza essere assorbita. Però, i ricercatori adattano lo strato superiore d'oro in un modello che si combina con le proprietà del cristallo per far sì che il pixel assorba solo una gamma specifica di frequenze elettromagnetiche, eliminando la necessità di filtri separati. Quando il cristallo si riscalda e genera una carica elettrica, l'oro quindi fa il doppio lavoro portando il segnale all'amplificatore del rivelatore, eliminando la necessità di cavi elettrici separati.
"Questi design consentono a questa tecnologia di essere da 10 a 100 volte più veloce dei rilevatori esistenti perché il calore viene creato direttamente dal cristallo", ha affermato Jon Suen, un associato post-dottorato nel laboratorio di Padilla. "Questo ci consente di creare dispositivi con meno pixel e offre anche la possibilità di spostare il rilevatore su un'area o acquisire immagini in movimento".
"Questo è un ottimo connubio di tecnologie, " ha detto Vincent Stenger, un ingegnere presso SRICO e coautore del documento. "Lavorare con Duke è stata una delle situazioni più ideali che ho avuto con il trasferimento tecnologico. Possiamo concentrarci sulla realizzazione del materiale e loro possono concentrarsi sulla struttura del dispositivo. Entrambe le parti hanno contribuito con un prodotto chiaro in mente che noi' ora sto lavorando sul marketing."
I ricercatori possono fabbricare il dispositivo per rilevare qualsiasi gamma specifica di frequenze elettromagnetiche semplicemente ridisegnando i dettagli del motivo dorato.
Stenger e i suoi colleghi di SRICO hanno già creato un prototipo a pixel singolo come prova di concetto. Stanno attualmente lavorando per trovare finanziamenti da investitori del settore o eventualmente una sovvenzione governativa successiva.
I ricercatori sono ottimisti poiché il loro dispositivo presenta molti vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti. Il suo tempo di rilevamento rapido gli consentirebbe di scansionare rapidamente un'area alla ricerca di perdite di metano o gas naturale. La semplicità del suo design lo rende abbastanza leggero da poter essere trasportato nei campi per valutare la salute delle colture agricole.
"Potresti persino trasformarlo in uno strumento da laboratorio a basso costo per la spettroscopia di campioni medici, " ha detto Padilla. "Non sono sicuro di quale sarebbe il prezzo finale, ma sarebbe molto meno di $ 300, 000 che attualmente abbiamo nel nostro laboratorio."
