MIT-ingenieurs ontwikkelen goedkope terahertz-camera

De afbeelding toont terahertz-verlichting (gele curven rechtsboven) die het nieuwe camerasysteem binnenkomt, waar het kwantumdots stimuleert in gaten op nanoschaal (weergegeven als verlichte ringen) om zichtbaar licht uit te zenden, dat vervolgens wordt gedetecteerd met behulp van een CMOS-gebaseerde chip (onderaan links) zoals die in digitale camera's. Credits: Met dank aan de onderzoekers

Terahertz-straling, waarvan de golflengte tussen die van microgolven en zichtbaar licht ligt, 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 beveiligingsscans op luchthavens, industriële kwaliteitscontrole, astrofysische waarnemingen, niet-destructieve karakterisering van materialen en draadloze communicatie met een grotere bandbreedte dan de huidige mobiele telefoonbanden.

Het ontwerpen van apparaten om beelden van terahertz-golven te detecteren en te maken, was echter een uitdaging, en de meeste bestaande terahertz-apparaten zijn duur, traag, 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 en waarvan onlangs is ontdekt dat ze zichtbaar licht kunnen uitzenden wanneer ze worden gestimuleerd door terahertz-golven. Het zichtbare licht kan vervolgens worden geregistreerd door een apparaat dat lijkt op de detector van een standaard elektronische camera en zelfs met het blote oog kan worden gezien.
Het apparaat wordt beschreven in een artikel dat s gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, door MIT-promovendus Jiaojian Shi, professor scheikunde Keith Nelson en 12 anderen.

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 afbeeldingen die de polarisatietoestand van de terahertz-golven laten zien.

De nieuwe “camera” bestaat uit verschillende lagen, gemaakt met standaard fabricagetechnieken zoals die voor microchips. Een reeks parallelle gouden lijnen op nanoschaal, gescheiden door smalle spleten, ligt op het substraat; daarboven bevindt zich een laag van het lichtuitstralende kwantumdotmateriaal; en daarboven is een CMOS-chip die wordt gebruikt om een ​​afbeelding te vormen. De polarisatiedetector, een polarimeter genaamd, gebruikt een vergelijkbare structuur, maar met ringvormige spleten op nanoschaal, waardoor hij de polarisatie van de binnenkomende bundels kan detecteren.

De fotonen van terahertzstraling hebben een extreem lage energie, legt Nelson uit, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn. “Dus, wat dit apparaat doet, is dat kleine fotonenenergie omzetten in iets zichtbaars dat gemakkelijk te detecteren is met een gewone camera”, zegt hij. In de experimenten van het team was het apparaat in staat om terahertz-pulsen te detecteren met lage intensiteitsniveaus die de mogelijkheden van de huidige grote en dure systemen overtroffen.