Un team di fisici dell'UO ha inventato un nuovo modo di misurare la luce:usare tamburi microscopici per sentire la luce.

La tecnologia dell'Alemán Lab, noto come "bolometro nanomeccanico al grafene, " sfrutta un nuovo metodo e materiale promettente per rilevare quasi tutti i colori della luce ad alte velocità e temperature elevate.

"Questo strumento è il più veloce e sensibile della sua categoria, " disse Benjamin Alemán, un professore di fisica e un membro del Centro per l'ottica dell'UO, Molecolare, e Quantum Science e socio del Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

Il dispositivo offre un'alternativa al modo convenzionale di utilizzare l'elettricità per misurare la luce, come si trova in dispositivi come la fotocamera di uno smartphone. Anziché, questo metodo meccanico cattura le vibrazioni di tamburi infinitamente sottili causate dalla luce. I fisici ottengono misurazioni ascoltando il suono della luce assorbita dalla pelle del tamburo.

Il modo in cui funziona la tecnologia è simile all'effetto di battere un tamburo in una giornata calda. Mentre lo strumento si scalda sotto il sole cocente, la membrana della pelle del tamburo si espanderà e il suo tono cambierà, emettendo un tono diverso da quello che avrebbe a temperature più fredde.

Le onde di luce fanno la stessa cosa ai bolometri meccanici. Quando la luce colpisce la pelle del tamburo del dispositivo, la membrana si riscalda, si espande, e il tono vibrazionale cambia. I fisici possono tenere traccia di questi cambiamenti di tono per misurare la quantità di luce che colpisce il dispositivo.

"Questo è un modo nuovissimo di rilevare la luce, "ha detto David Miller, uno studente di dottorato nell'Alemán Lab. "Stiamo utilizzando un metodo puramente meccanico per trasformare la luce in suono. Questo ha il vantaggio di poter vedere una gamma di luce molto più ampia".

Continua spiegando che i rilevatori convenzionali sono molto affidabili nella lettura della luce ad alta energia, come la luce visibile o i raggi X, ma meno abile nel misurare le lunghezze d'onda maggiori sullo spettro elettromagnetico, compresi infrarossi e onde radio. Il dispositivo meccanico riempie quel vuoto e consente ai fisici di rilevare la luce di quasi tutte le lunghezze d'onda, che potrebbe essere particolarmente utile nelle osservazioni astronomiche, imaging termico e medico del corpo e visione profonda nell'infrarosso.

Il team ha costruito il dispositivo allungando prima un sottile foglio di atomi su un foro inciso in un pezzo di silicio. Quindi, utilizzando una tecnica sviluppata in precedenza in laboratorio, hanno tagliato il lenzuolo per assomigliare a un trampolino, un vero, trampolino davvero piccolo.

Il dispositivo è un decimo della larghezza di un capello umano, mentre il materiale utilizzato per il trampolino è ancora più piccolo, spesso un solo atomo, circa un milione di volte più sottile di quella stessa ciocca di capelli.

"Questo sistema utilizza il grafene, che è solo un singolo strato di atomi. È il più piccolo possibile", ha detto Andrew Blaikie, un altro studente di dottorato nell'Alemán Lab e autore principale del documento, che è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura questa settimana.

Grafene, un materiale scoperto nel 2004, è l'ingrediente chiave per il successo della tecnologia. È un piccolo, ma potente, Materiale. Sebbene sia il materiale più sottile possibile, il grafene è 200 volte più resistente dell'acciaio e straordinariamente flessibile. Il suo scopritore ha anche vinto il Premio Nobel 2010 per la fisica per il suo potenziale di rivoluzionare la fisica e l'ingegneria.

Le proprietà meccaniche del grafene consentono al materiale di rispondere alle variazioni di temperatura in modo incredibilmente rapido, che gli consente di misurare la luce a velocità altrettanto veloci.

"Il grafene offriva una prospettiva allettante per il rilevamento della luce ultrasensibile e ultraveloce, "Ha detto Blaikie. "Possiede anche una capacità senza pari di misurare quasi tutte le lunghezze d'onda della luce e può resistere a temperature molto più elevate rispetto ai rilevatori convenzionali".

Il team di fisici è stato in grado di sfruttare i poteri del grafene attraverso il suo approccio meccanico alla misurazione della luce. Pur esplodendo con il potenziale per il rilevamento della luce, il materiale si è comportato male attraverso i metodi tradizionali di utilizzo della resistenza elettrica per misurare la luce, principalmente a causa della sua necessità di essere raffreddato a temperature ultrabasse per essere utile nei rivelatori convenzionali.

Quando si sono resi conto che potevano trasformare la luce in suono attraverso il loro metodo meccanico, sono stati in grado di sbloccare le prospettive del grafene e creare l'ultraveloce, dispositivo ultrasensibile che eccelle in, e molto più in alto, temperatura ambiente.

La sua capacità di funzionare in un intervallo di temperature così ampio è una delle qualità più vantaggiose del dispositivo quando si tratta di misurare la luce, Blaiki ha spiegato. Può funzionare a temperatura ambiente, che consente una portabilità critica, e può funzionare a temperature elevate, che è un vantaggio che i tradizionali rilevatori di luce non offrono, poiché molti di loro falliranno quello che è noto come "effetto scottatura solare, " quando iniziano a rompersi con l'aumento delle temperature.

"Il grafene è un materiale termicamente stabile in grado di resistere a temperature superiori a 2, 000 gradi Celsius, "disse Blaiki.

La sua versatilità e la sua natura ultrasensibile posizionano il bolometro nanomeccanico come uno strumento utile in molte arene della scienza, medicinale, produzione industriale e astronomia. L'Alemán Lab ha un brevetto in corso di registrazione per la tecnologia.

"Speriamo che questo dispositivo aiuti gli scienziati a svelare i misteri del nostro sole e di altre stelle, migliorare la diagnostica medica attraverso l'imaging termico a raggi X più sicuro, e aiutare i vigili del fuoco a vedere meglio negli incendi per salvare più vite, " ha detto Alemán.