Materiaalwetenschappers en ingenieurs hebben een sensor ontwikkeld die snel, gevoelig en efficiënt genoeg om specifieke golflengten van elektromagnetische energie te detecteren terwijl u onderweg bent. De technologie kan gebieden actief scannen op methaan- of aardgaslekken, controleer de gezondheid van uitgestrekte gewassen of sorteer plastic snel voor recycling.

In nauwe samenwerking met het opto-elektronische materialenbedrijf SRICO, ingenieurs van Duke University hebben een prototype-detector gebouwd die qua grootte de bestaande concurrentie verslaat, gewicht, stroom, snelheid en, het belangrijkste, kosten.

De nieuwe technologie is gebaseerd op metamaterialen - ontworpen structuren gemaakt van zorgvuldig ontworpen herhalende cellen die op onnatuurlijke manieren kunnen interageren met elektromagnetische golven. Door schijnbaar eenvoudige patronen van metaal te combineren met extreem dunne plakjes perfecte kristallen, de ingenieurs creëerden een gestroomlijnd apparaat dat onzichtbare infraroodsignaturen kan detecteren die worden uitgezonden door verschillende soorten gassen, kunststoffen en andere bronnen.

De resultaten verschenen op 20 februari, 2017, in het journaal optiek .

"Het voordeel van het gebruik van metamaterialen is dat verschillende componenten die nodig zijn in een detector kunnen worden gecombineerd tot één functie, " zei Willie Padilla, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "Die vereenvoudiging levert je veel efficiëntie op."

In een typische thermische detector, infrarood lichtgolven worden geabsorbeerd en omgezet in warmte door een zwarte substantie, in wezen roet. Die warmte wordt naar een apart onderdeel geleid dat een elektrisch signaal creëert dat vervolgens wordt uitgelezen. Deze opstelling creëert snelheidsbeperkingen, en alleen door over elkaar liggende filters of een complex systeem van bewegende spiegels, kunnen specifieke golflengten worden onderscheiden.

De nieuwe metamateriaalsensor omzeilt beide problemen.

Elk klein deel van de detector bestaat uit een patroon van goud dat bovenop lithiumniobaatkristal zit. Dit kristal is pyro-elektrisch, wat betekent dat als het warm wordt, het creëert een elektrische lading. Alsof je een stuk kaas van een blok scheert, ingenieurs van SRICO gebruiken een ionenstraal om een ​​schijfje kristal van slechts 600 nanometer dik af te pellen. Deze techniek elimineert mogelijke defecten in de kristallijne structuur, waardoor achtergrondgeluid wordt verminderd. Het creëert ook een dunnere plak dan andere benaderingen, waardoor het kristal sneller opwarmt.

Gewoonlijk, dit kristal is zo dun dat licht er gewoon doorheen zou reizen zonder geabsorbeerd te worden. Echter, onderzoekers passen de bovenste laag goud aan tot een patroon dat combineert met de eigenschappen van het kristal om ervoor te zorgen dat de pixel alleen een specifiek bereik van elektromagnetische frequenties absorbeert, waardoor aparte filters niet meer nodig zijn. Wanneer het kristal opwarmt en een elektrische lading genereert, het goud doet dan dubbel werk door het signaal naar de versterker van de detector te dragen, het elimineren van de noodzaak voor aparte elektrische leidingen.

"Deze ontwerpen maken het mogelijk dat deze technologie 10 tot 100 keer sneller is dan bestaande detectoren, omdat de warmte direct door het kristal wordt gecreëerd", zegt Jon Suen, een postdoctoraal medewerker in het laboratorium van Padilla. "Hierdoor kunnen we apparaten maken met minder pixels en hebben we ook de mogelijkheid om de detector over een gebied te vegen of bewegende beelden vast te leggen."

"Dit is zo'n goed huwelijk tussen technologieën, " zei Vincent Stenger, een ingenieur bij SRICO en co-auteur van het papier. "Werken met Duke was een van de meest ideale situaties die ik heb gehad met technologieoverdracht. We kunnen ons concentreren op het maken van het materiaal en zij kunnen zich concentreren op de structuur van het apparaat. Beide partijen hebben bijgedragen met een duidelijk product in gedachten dat we' ben nu bezig met marketing."

De onderzoekers kunnen het apparaat fabriceren om elk specifiek bereik van elektromagnetische frequenties te detecteren door simpelweg de details van het gouden patroon opnieuw te ontwerpen.

Stenger en zijn collega's bij SRICO hebben al een prototype van één pixel gemaakt als proof of concept. Ze werken momenteel aan het vinden van financiering van industriële investeerders of mogelijk een vervolgsubsidie ​​​​van de overheid.

De onderzoekers zijn optimistisch omdat hun apparaat veel voordelen heeft ten opzichte van bestaande technologieën. Dankzij de snelle detectietijd kan het snel over een gebied scannen terwijl het op zoek is naar methaan- of aardgaslekken. De eenvoud van het ontwerp maakt het licht genoeg om mee te nemen naar velden om de gezondheid van landbouwgewassen te beoordelen.

"Je zou er zelfs een goedkoop laboratoriuminstrument van kunnen maken voor spectroscopie voor medische monsters, " zei Padilla. "Ik weet niet zeker wat de uiteindelijke prijs zou zijn, maar het zou een stuk minder zijn dan de $300, 000 instrument dat we momenteel in ons laboratorium hebben."