Gli ingegneri di Caltech hanno sviluppato per la prima volta un rilevatore di luce che combina due tecnologie disparate:nanofotonica, che manipola la luce su scala nanometrica, e termoelettrico, che traduce le differenze di temperatura direttamente in tensione elettronica, per distinguere diverse lunghezze d'onda (colori) della luce, comprese le lunghezze d'onda visibili e infrarosse, ad alta risoluzione.

I rilevatori di luce che distinguono tra diversi colori di luce o calore sono utilizzati in una varietà di applicazioni, compresi i satelliti che studiano il cambiamento della vegetazione e del paesaggio sulla terra e gli imager medici che distinguono tra cellule sane e cancerose in base alle loro variazioni di colore.

Il nuovo rivelatore, descritto in un articolo in Nanotecnologia della natura il 22 maggio, funziona da 10 a 100 volte più velocemente degli attuali dispositivi termoelettrici comparabili ed è in grado di rilevare la luce in una gamma più ampia dello spettro elettromagnetico rispetto ai tradizionali rilevatori di luce. Nei rivelatori di luce tradizionali, i fotoni di luce in arrivo vengono assorbiti in un semiconduttore ed eccitano gli elettroni che vengono catturati dal rivelatore. Il movimento di questi elettroni eccitati dalla luce produce una corrente elettrica, un segnale, che può essere misurato e quantificato. Pur essendo efficace, questo tipo di sistema rende difficile "vedere" la luce infrarossa, che è costituito da fotoni di energia inferiore rispetto a quelli in luce visibile.

Poiché i nuovi rilevatori sono potenzialmente in grado di catturare lunghezze d'onda infrarosse della luce solare e del calore che non possono essere raccolte in modo efficiente dai materiali solari convenzionali, la tecnologia potrebbe portare a migliori celle solari e dispositivi di imaging.

"Nella nanofotonica, studiamo il modo in cui la luce interagisce con strutture molto più piccole della lunghezza d'onda ottica stessa, che si traduce in un estremo confinamento della luce. In questo lavoro, abbiamo combinato questo attributo con le caratteristiche di conversione di potenza dei termoelettrici per abilitare un nuovo tipo di dispositivo optoelettronico, "dice Harry Atwater, corrispondente autore dello studio. Atwater è Howard Hughes Professor of Applied Physics and Materials Science nella Division of Engineering and Applied Science al Caltech, e direttore del Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP). JCAP è un Energy Innovation Hub del Department of Energy (DOE) focalizzato sullo sviluppo di un metodo conveniente per trasformare la luce solare, acqua, e anidride carbonica in carburante. È guidato da Caltech con Berkeley Lab come partner principale.

Il team di Atwater ha costruito materiali con nanostrutture larghe centinaia di nanometri, più piccole persino delle lunghezze d'onda della luce che rappresentano lo spettro visibile, che varia da circa 400 a 700 nanometri.

I ricercatori hanno creato nanostrutture con una varietà di larghezze, che assorbono diverse lunghezze d'onda, colori, della luce. Quando queste nanostrutture assorbono la luce, generano una corrente elettrica con una intensità che corrisponde alla lunghezza d'onda della luce che viene assorbita.

I rilevatori sono stati fabbricati nella camera bianca del Kavli Nanoscience Institute al Caltech, dove il team ha creato strutture a lunghezza d'onda inferiore utilizzando una combinazione di deposizione di vapore (che condensa strati sottilissimi di materiale su una superficie da una nebbia ricca di elementi) e litografia a fascio di elettroni (che quindi taglia modelli su scala nanometrica in quel materiale utilizzando un fascio focalizzato di elettroni ). Le strutture, che risuonano e generano un segnale quando assorbono fotoni con lunghezze d'onda specifiche, sono stati creati da leghe con note proprietà termoelettriche, ma la ricerca è applicabile ad una vasta gamma di materiali, dicono gli autori.

"Questa ricerca è un ponte tra due campi di ricerca, nanofotonica e termoelettrica, che spesso non interagiscono, e crea una strada per la collaborazione, " dice lo studente laureato Kelly Mauser (MS '16), autore principale di Nanotecnologia della natura studio. "C'è una pletora di applicazioni e opportunità di ricerca inesplorate ed entusiasmanti all'incrocio di questi due campi".

Lo studio è intitolato "Nanofotonica termoelettrica risonante".