Debashis Chanda, ricercatore dell'Università della Florida centrale e professore presso il NanoScience Technology Center, ha sviluppato una nuova tecnica per rilevare i fotoni, particelle elementari che si estendono dalla luce visibile alle radiofrequenze e sono fondamentali per trasportare la comunicazione cellulare.
Il progresso potrebbe portare a tecnologie più precise ed efficienti in vari campi, dal miglioramento dell'imaging medico e dei sistemi di comunicazione al potenziamento della ricerca scientifica e persino al potenziale rafforzamento delle misure di sicurezza.
Il rilevamento dei fotoni si basa tipicamente sulla variazione/modulazione dell'ampiezza della tensione o della corrente. Ma Chanda ha sviluppato un modo per rilevare i fotoni modulando la frequenza di un circuito oscillante, aprendo la strada al rilevamento di fotoni ultrasensibile.
Il metodo di Chanda utilizza uno speciale materiale a cambiamento di fase (PCM) che cambia forma quando la luce lo tocca, creando un ritmo elettrico che rimane stabile o un'oscillazione stabile del circuito elettrico. Quando un fotone di luce colpisce il materiale, cambia la velocità del ritmo o sposta la frequenza di oscillazione. Quanto cambia il ritmo dipende da quanto è forte la luce, in modo simile a come la voce di una persona cambia il suono alla radio.
Il nuovo sviluppo è stato pubblicato di recente in Advanced Functional Materials.
Il rilevamento dell'infrarosso a onda lunga (LWIR) nella gamma di lunghezze d'onda da 8 a 12 micrometri è estremamente importante in astronomia, scienza del clima, analisi dei materiali e sicurezza. Tuttavia, il rilevamento LWIR a temperatura ambiente rappresenta da tempo una sfida a causa della bassa energia dei fotoni.
I rilevatori LWIR attualmente disponibili possono essere ampiamente classificati in due tipi:rilevatori raffreddati e non raffreddati, entrambi con i propri limiti.
Sebbene i rilevatori raffreddati offrano un’eccellente capacità di rilevamento, richiedono un raffreddamento criogenico, il che li rende costosi e ne limita l’utilità pratica. D'altro canto, i rilevatori non raffreddati possono funzionare a temperatura ambiente ma soffrono di bassa rilevabilità e risposta lenta a causa del maggiore rumore termico intrinseco al funzionamento a temperatura ambiente. Un rilevatore/fotocamera a infrarossi veloce, a basso costo, altamente sensibile continua ad affrontare sfide scientifiche e tecnologiche.
Questo è il motivo principale per cui le telecamere LWIR non sono ampiamente utilizzate tranne che nel Dipartimento della Difesa e in applicazioni specifiche per lo spazio.
"A differenza di tutti gli attuali schemi di rilevamento dei fotoni in cui la potenza luminosa modifica l'ampiezza della tensione o della corrente (modulazione di ampiezza - AM), nello schema proposto i colpi, o incidenti di fotoni, modulano la frequenza di un circuito oscillante e vengono rilevati come uno spostamento di frequenza, offrendo robustezza intrinseca ai rumori, che sono di natura AM," afferma Chanda.
"Il nostro approccio basato sulla FM produce una potenza equivalente al rumore a temperatura ambiente, un tempo di risposta e una capacità di rilevamento eccezionali", afferma Chanda. "Questo concetto generale di rilevamento dei fotoni basato sulla FM può essere implementato in qualsiasi intervallo spettrale basato su altri materiali a cambiamento di fase."
"I nostri risultati introducono questo nuovo rilevatore basato su FM come una piattaforma unica per la creazione di rilevatori a infrarossi non raffreddati a basso costo e ad alta efficienza e sistemi di imaging per varie applicazioni come il telerilevamento, l'imaging termico e la diagnostica medica", afferma Chanda. "Crediamo fermamente che le prestazioni possano essere ulteriormente migliorate con un packaging adeguato su scala industriale."
Questo concetto sviluppato dal gruppo Chanda fornisce un cambiamento di paradigma verso il rilevamento LWIR ad alta sensibilità e non raffreddato poiché il rumore limita la sensibilità di rilevamento. Questo risultato promette un nuovo schema di rilevamento LWIR non raffreddato che è altamente sensibile, a basso costo e può essere facilmente integrato con circuiti di lettura elettronica, senza la necessità di un'ibridazione complessa.
Ulteriori informazioni: Tianyi Guo et al, Rilevamento e imaging a infrarossi a onde lunghe basati sulla modulazione di frequenza a temperatura ambiente, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202309298
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
Fornito dall'Università della Florida Centrale
