MIT-ingenieurs ontwikkelen goedkope terahertz-camera

Het apparaat biedt een grotere gevoeligheid en snelheid dan eerdere versies en kan worden gebruikt voor industriële inspectie, luchthavenbeveiliging en communicatie.

Terahertz-straling, waarvan de golflengten tussen die van microgolven en zichtbaar licht liggen, kan veel niet-metalen materialen binnendringen en handtekeningen van bepaalde moleculen detecteren. Deze handige eigenschappen kunnen zich lenen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder het scannen van luchthavens, industriële kwaliteitscontrole, astrofysische observaties, niet-destructieve karakterisering van materialen en draadloze communicatie met een hogere bandbreedte dan de huidige mobiele telefoonbanden.

Het ontwerpen van apparaten voor het detecteren en maken van afbeeldingen van terahertz-golven was echter een uitdaging, en de meeste bestaande terahertz-apparaten zijn duur, traag en omvangrijk en vereisen vacuümsystemen en extreem lage temperaturen.

Nu hebben onderzoekers van MIT, de Universiteit van Minnesota en Samsung een nieuw soort camera ontwikkeld die terahertz-pulsen snel, met hoge gevoeligheid en bij kamertemperatuur en druk kan detecteren. Bovendien kan het tegelijkertijd informatie over de oriëntatie of “polarisatie” van de golven in realtime vastleggen, wat bestaande apparaten niet kunnen. Deze informatie kan worden gebruikt om materialen met asymmetrische moleculen te karakteriseren of om de oppervlaktetopografie van materialen te bepalen.

Het nieuwe systeem maakt gebruik van kwantumdots, waarvan onlangs is ontdekt dat ze zichtbaar licht kunnen uitzenden wanneer ze worden gestimuleerd door terahertz-golven. Het zichtbare licht kan dan worden ontvangen door een apparaat dat vergelijkbaar is met de detector van een standaard elektronische camera en zelfs met het blote oog.

Het apparaat wordt beschreven in een artikel in Nature Nanotechnology.

Het team produceerde twee verschillende apparaten die bij kamertemperatuur kunnen werken: de ene gebruikt het vermogen van de kwantumdot om terahertz-pulsen om te zetten in zichtbaar licht, waardoor het apparaat afbeeldingen van materialen kan produceren; de andere produceert beelden die de polarisatietoestand van de terahertz-golven tonen.

De nieuwe ‘camera’ bestaat uit verschillende lagen, gemaakt met standaard fabricagetechnieken zoals die worden gebruikt voor microchips. Een reeks van evenwijdige goudlijnen ligt op het substraat; daarboven bevindt zich een laag van het lichtemitterende kwantumdot-materiaal; en daarboven een CMOS-chip die wordt gebruikt om een ​​afbeelding te vormen. De polarisatiedetector, een polarimeter genaamd, gebruikt een vergelijkbare structuur, maar met ringvormige sleuven op nanoschaal, waardoor hij de polarisatie van de inkomende stralen kan detecteren.

De fotonen van terahertz-straling hebben een extreem lage energie waardoor ze moeilijk te detecteren zijn. Teamleider Keith Nelson: “Dus wat dit apparaat doet, is dat piepkleine beetje foton-energie omzetten in iets zichtbaars dat gemakkelijk te detecteren is met een gewone camera.” In de experimenten van het team was het apparaat in staat om terahertz-pulsen te detecteren bij lage intensiteitsniveaus die de capaciteit van de huidige grote en dure systemen overtreffen.