Le onde terahertz possono penetrare materiali opachi e fornire firme spettrali uniche di varie sostanze chimiche, ma la loro adozione per applicazioni nel mondo reale è stata limitata dalla bassa velocità, dalle grandi dimensioni, dai costi elevati e dalla complessità dei sistemi di imaging terahertz. Il problema nasce dalla mancanza di rilevatori a matrice sul piano focale idonei, componenti che contengono rilevatori di radiazioni utilizzati dal sistema di imaging.
Un gruppo di ricerca guidato da Mona Jarrahi e Aydogan Ozcan, entrambi professori di ingegneria elettrica e informatica presso la Samueli School of Engineering dell'UCLA, ha inventato un nuovo array sul piano focale terahertz per risolvere questo problema.
Eliminando la necessità della scansione raster, che cattura e visualizza un'immagine punto per punto, il team di ricerca è in grado di accelerare l'imaging a una velocità oltre 1.000 volte superiore rispetto ai sistemi attuali. Il nuovo array costituisce il primo sistema di imaging terahertz noto che è sufficientemente veloce da acquisire video e fornire immagini multispettrali 3D in tempo reale mantenendo un elevato rapporto segnale-rumore.
Pubblicato in Nature Photonics , lo studio dell'UCLA descrive il nuovo focal-plane array, che prevede l'inserimento di 283.500 nanoantenne in uno spazio più piccolo delle dimensioni di un tipico seme di sesamo. L'array è in grado di fornire direttamente l'ampiezza spaziale e le distribuzioni di fase, nonché i dati temporali e spettrali dell'oggetto ripreso, evitando così la necessità di scansione raster. Il team ha inoltre utilizzato una rete neurale addestrata al machine learning per migliorare la risoluzione delle immagini catturate in tempo reale.
"L'imaging Terahertz può aiutarci a vedere cose che non potremmo rilevare utilizzando altri processi o tecnologie", ha affermato Jarrahi, che detiene la cattedra Northrop Grumman in Ingegneria Elettrica e dirige il Laboratorio di Elettronica Terahertz presso l'UCLA Samueli. "Con questo array sul piano focale, abbiamo sbloccato nuove possibilità per utilizzare l'imaging terahertz per la scansione e il rilevamento in tempo reale e ad alta produttività in un modo che prima non era possibile."
I precedenti tentativi di creare sistemi di imaging terahertz più veloci hanno portato a bassi rapporti segnale-rumore, rendendo difficile per i ricercatori ottenere immagini pulite. Inoltre i sistemi erano ingombranti e costosi. Utilizzando il nuovo array sul piano focale e la relativa rete neurale, il gruppo di ricerca ha dimostrato la capacità del sistema di creare immagini di modelli 3D incisi nel silicio con più di 1.000 pixel.
L’energia relativamente bassa dei fotoni terahertz e la loro capacità di penetrare attraverso molti materiali opachi e non conduttivi rendono la radiazione terahertz promettente per una varietà di applicazioni. Questi includono l'imaging medico, i controlli di sicurezza e l'ispezione di prodotti farmaceutici o agricoli.
Jarrahi e Ozcan sono entrambi membri del California NanoSystems Institute presso l'UCLA, dove Ozcan ricopre il ruolo di direttore associato per l'imprenditorialità, l'industria e gli scambi accademici. Ozcan, che detiene la cattedra Volgenau per l'innovazione ingegneristica dell'UCLA e guida l'Ozcan Research Group, ha anche incarichi di facoltà presso il Dipartimento di Bioingegneria e la David Geffen School of Medicine dell'UCLA.
La tecnologia viene commercializzata da Lookin Inc., una startup nata dal gruppo di ricerca di Jarrahi. L'azienda è stata co-fondata da Jarrahi e Nezih Tolga Yardimci, ricercatrice post-dottorato e membro del suo gruppo di ricerca. Yardimci è uno degli autori dell'articolo e ricopre il ruolo di CEO e Chief Technology Officer di Lookin.
Altri autori dell'articolo sono il ricercatore post-dottorato dell'UCLA Samueli Xurong Li, lo studente laureato Deniz Mengu, l'alunno Deniz Turan e Ali Charkhesht, un ingegnere principale di Lookin. Tutti tranne Charkhesht sono attuali o ex membri dei laboratori di ricerca di Jarrahi e Ozcan presso l'UCLA.
Ulteriori informazioni: Xurong Li et al, Array sul piano focale fotoconduttivo plasmonico terahertz con super risoluzione pixel, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01346-2
Informazioni sul giornale: Fotonica della natura
Fornito da UCLA Engineering Institute for Technology Advancement
