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麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机
发布时间:2022-11-28 22:02:41 阅读:165

来源:新浪财经

图片显示太赫兹照明(右上角的黄色曲线)进入新的相机系统,它刺激纳米级孔内的量子点(显示为照明环)发出可见光,然后使用基于CMOS的芯片(左下角)检测,就像数码相机中的那些。

    太赫兹辐射,也被称为亚毫米辐射,其波长位于微波和可见光之间。它可以穿透许多非金属材料并探测某些分子的特征。这些便利的特性可以使其得到广泛的应用,包括工业质量控制检测、机场安全扫描、材料的无损表征、天体物理观测以及比目前手机频段带宽更高的无线通信。

    然而,设计检测和制作太赫兹波图像的设备一直是个挑战。因此,大多数现有的太赫兹设备是昂贵的,缓慢的,笨重的,并需要真空系统和极低的温度。

    现在,麻省理工学院、明尼苏达大学和三星公司的研究人员已经开发出一种新的相机,它可以快速检测太赫兹脉冲,具有高灵敏度,并且在室温和压力下。更重要的是,它可以同时实时捕捉到关于波的方向,或“偏振”的信息,而现有的设备无法做到。这种信息可以用来描述具有不对称分子的材料,或确定材料的表面细节。

    这个新系统使用被称为量子点的粒子。这些粒子最近被发现在受到太赫兹波的刺激时有能力发射出可见光。然后,这些可见光可以被一个类似于标准电子相机探测器的装置记录下来,甚至可以用肉眼看到。11月3日发表在《自然-纳米技术》杂志上的一篇论文描述了这一装置,作者是麻省理工学院的博士生史娇健、化学教授KeithNelson和其他12人。

    该团队制造了两种不同的装置,可以在室温下运行。一个是利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力,使该装置能够产生材料的图像;另一个是产生显示太赫兹波偏振状态的图像。

    新的“照相机”由几层组成,采用像用于微芯片的标准制造技术制成。基板上有一排纳米级的平行金线,用窄缝隔开;上面是一层发光的量子点材料;上面是一个用于形成图像的CMOS芯片。偏振检测器使用类似的结构,但有纳米级的环形狭缝,这使得它能够检测到进入的光束的偏振。  

    太赫兹辐射的光子具有极低的能量,这使得它们很难被检测到。因此,这个设备正在做的是将那小小的光子能量转化为易于用普通相机检测的可见物。在该团队的实验中,该设备能够在低强度水平上检测太赫兹脉冲,超过了今天大型和昂贵系统的能力。  

    研究人员通过拍摄他们设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来证明该探测器的能力,例如纳米间隔的金线和用于偏振探测器的环形狭缝,证明了该系统的灵敏度和分辨率。  

    开发一个实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波以照亮一个物体的部件,以及另一个检测它们的部件。在后一点上,目前的太赫兹探测器要么非常慢,因为它们依赖于检测波冲击材料所产生的热量,而热量传播缓慢,要么它们使用相对较快的光电探测器,但灵敏度非常低。此外,直到现在,大多数方法都需要整个太赫兹探测器阵列,每个探测器产生一个像素的图像。问题在于每一个都相当昂贵,一旦它们开始被用来制造相机,探测器的成本就会开始迅速扩大。  

    虽然研究人员说他们已经通过新的工作破解了太赫兹脉冲检测问题,但缺乏良好的源的问题仍然存在——而且世界各地的许多研究小组正在努力解决。Nelson说,新研究中使用的太赫兹源是一个庞大而繁琐的激光器和光学设备阵列,不容易被扩展到实际应用中,但基于微电子技术的新源正在顺利开发中。  

    论文的共同作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系麦克奈特教授Sang-HyunOh补充说,虽然目前的太赫兹相机版本要花费数万美元,但该系统使用的CMOS相机的廉价特性使其“向建立实用的太赫兹相机迈进了一大步”。商业化的潜力促使制造CMOS相机芯片和量子点设备的三星公司合作开展这项研究。  

    Nelson说,这种波长的传统探测器在液氦温度(-268华氏度)下工作,这对于从背景噪声中挑出能量极低的太赫兹光子是必要的。这种新设备能够在室温下用传统的可见光相机检测并产生这些波长的图像,这一点出乎了从事太赫兹领域工作的人的意料。  

    研究人员说,有许多途径可以进一步提高这种新相机的灵敏度,包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。他们说,即使在目前的检测水平上,该设备也可以有一些潜在的应用。  

    在新设备的商业化潜力方面,Nelson说,量子点现在价格低廉,而且容易获得,目前被用于消费产品,如电视屏幕。相机设备的实际制造更加复杂,但也是基于现有的微电子技术。事实上,与现有的太赫兹探测器不同,整个太赫兹照相机芯片可以用今天的标准微芯片生产系统来制造,这意味着最终大规模生产这些设备应该是可能的,而且价格相对便宜。  

    目前,尽管该相机系统离商业化还很远,但麻省理工学院的研究人员在需要快速检测太赫兹辐射时已经在使用这种新的实验室设备。“我们没有那些昂贵的相机”,Nelson说,“但是我们有很多这样的小设备。人们只需将其中一个插入光束中,用眼睛看一下可见光的发射,这样他们就知道太赫兹光束何时开启,这真的很方便。”  

    虽然太赫兹波原则上可以用来探测一些天体物理现象,但这些来源将是极其微弱的,而且新设备无法捕捉这种微弱的信号,该团队正在努力提高其灵敏度。下一代的研究工作在于把所有东西都做得更小,它的灵敏度也会更高。

 
 

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