(Phys.org) —Un team di ingegneri dell'Università della Pennsylvania ha utilizzato un modello di nanoantenne per sviluppare un nuovo modo di trasformare la luce infrarossa in azione meccanica, aprendo la porta a termocamere a infrarossi più sensibili e a tecniche di analisi chimica più compatte.

La ricerca è stata condotta dall'assistente professore Ertugrul Cubukcu e dal ricercatore post-dottorato Fei Yi, insieme agli studenti laureati Hai Zhu e Jason C. Reed, tutto il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science.

È stato pubblicato sulla rivista Nano lettere .

Il rilevamento della luce nella gamma del medio infrarosso è importante per applicazioni come telecamere per la visione notturna, ma può anche essere usato per fare spettroscopia, una tecnica che prevede la diffusione della luce su una sostanza per dedurre la sua composizione chimica. I rilevatori a infrarossi esistenti utilizzano semiconduttori raffreddati criogenicamente, o rilevatori termici noti come microbolometri, in cui le variazioni di resistenza elettrica possono essere correlate alle temperature. Queste tecniche hanno i loro vantaggi, ma entrambi hanno bisogno di costosi, apparecchiature ingombranti per essere sufficientemente sensibili per le applicazioni di spettroscopia.

"Abbiamo deciso di realizzare un rilevatore optomeccanico a infrarossi termici, " Disse Cubukcu. "Piuttosto che cambiamenti nella resistenza, il nostro rilevatore funziona collegando il movimento meccanico ai cambiamenti di temperatura."

Il vantaggio di questo approccio è che potrebbe ridurre l'ingombro di un dispositivo di rilevamento a infrarossi a qualcosa che si adatterebbe a un chip di silicio usa e getta. I ricercatori hanno fabbricato un tale dispositivo nel loro studio.

Al centro del dispositivo c'è una struttura su scala nanometrica, larga circa un decimo di millimetro e lunga cinque volte, costituita da uno strato di oro legato a uno strato di nitruro di silicio. I ricercatori hanno scelto questi materiali a causa dei loro diversi coefficienti di dilatazione termica, un parametro che determina quanto un materiale si espanderà quando riscaldato. Poiché i metalli convertono naturalmente parte dell'energia dalla luce infrarossa in calore, i ricercatori possono collegare la quantità di espansione del materiale alla quantità di luce infrarossa che lo colpisce.

"Un singolo strato si espanderebbe lateralmente, ma i nostri due strati sono vincolati perché sono attaccati l'uno all'altro, " Ha detto Cubukcu. "L'unico modo in cui possono espandersi è nella terza dimensione. In questo caso, ciò significa piegarsi verso il lato dorato, poiché l'oro ha il coefficiente di espansione termica più elevato e si espanderà di più."

Per misurare questo movimento, i ricercatori hanno utilizzato un interferometro a fibra. Un cavo in fibra ottica puntato verso l'alto su questo sistema fa rimbalzare la luce sul lato inferiore dello strato di nitruro di silicio, consentendo ai ricercatori di determinare fino a che punto la struttura si è piegata verso l'alto.

"Possiamo dire di quanto si è spostato lo strato inferiore in base a questa luce riflessa, " Ha detto Cubukcu. "Possiamo persino vedere spostamenti migliaia di volte più piccoli di un atomo di idrogeno".

Altri ricercatori hanno sviluppato sensori optomeccanici a infrarossi basati su questo principio, ma la loro sensibilità è stata relativamente bassa. Il dispositivo del team Penn è un miglioramento in questo senso grazie all'inclusione di nanoantenne "slot", cavità che sono incise nello strato d'oro a intervalli che corrispondono alle lunghezze d'onda della luce nel medio infrarosso.

"La radiazione infrarossa è concentrata nelle fessure, quindi non è necessario alcun materiale aggiuntivo per realizzare queste antenne, " Ha detto Cubukcu. " Prendiamo la stessa piattaforma esatta e, modellandolo con queste antenne su nanoscala, l'efficienza di conversione del rivelatore migliora di 10 volte."

L'inclusione di nanoantenne fornisce al dispositivo un ulteriore vantaggio:la capacità di personalizzare il tipo di luce a cui è sensibile incidendo un diverso modello di fessure sulla superficie.

"Altre tecniche possono funzionare solo al massimo assorbimento determinato dal materiale stesso, " Yi ha detto. "Le nostre antenne possono essere progettate per assorbire a qualsiasi lunghezza d'onda."

Mentre solo una prova di concetto in questa fase, la ricerca futura dimostrerà le capacità del dispositivo come metodo a basso costo per analizzare singole proteine ​​e molecole di gas.