Niet-invasieve optische temperatuurmeting is essentieel voor het op afstand bewaken van fabricageprocessen, in situaties waar het monster moet worden geïsoleerd van de omgeving, bij extreme of snel veranderende temperaturen, en in de aanwezigheid van sterke en wisselende magnetische velden. Optische temperatuursensoren meten frequentieverschuivingen van optische resonanties en vereisen vaak lange optische paden om zeer kleine thermo-optische coëfficiënten van materialen te compenseren.

Echter, een lichtfase is een cyclische variabele, die ongedefinieerd is op het punt van volledige destructieve interferentie, en varieert snel in de buurt van dit punt. Bijvoorbeeld, een faseverschuiving van de vlakke golf die wordt gereflecteerd door een vlakke interface vertoont een enkelvoudig gedrag bij frequenties waar de oppervlaktereflectie verdwijnt. Smalle asymmetrische spectrale kenmerken in de sensorfaserespons nabij dergelijke singuliere punten zijn erg gevoelig voor veranderingen in de omgeving en kunnen worden gebruikt om de gevoeligheid van sensoren op afstand te verbeteren met optische transductie.

Plasmonische meta-oppervlakken kunnen worden ontworpen om de singuliere fase-conditie te bereiken, maar dit vereist typisch een complex elektromagnetisch ontwerp en fabricagetechnieken met een lage doorvoer, zoals elektronenstraallithografie. In een nieuw werk een internationaal team onder leiding van een MIT-onderzoeker Dr. Svetlana Boriskina heeft een eenvoudig en robuust planair enkelfasig detectieplatform ontwikkeld voor temperatuurdetectie op afstand, die geen nano-patronen vereist en een enkelvoudig fase-gedrag vertoont vanwege de excitatie van topologisch beschermde Tamm-oppervlaktetoestanden.

De onderzoekers ontwikkelden Tamm-toestanden op vlakke materiaalinterfaces tussen metalen en diëlektrische dunne films door gebruik te maken van het grens-bulk-correspondentieprincipe dat is overgenomen uit de fysica van topologische materialen en de geconjugeerde benadering van impedantie-aanpassing die is ontleend aan de antennetheorie. Ze demonstreerden temperatuurdetectie in enkelvoudige fase met een verbetering van meer dan een orde van grootte in sensorgevoeligheid en meer dan twee ordes van grootte verbetering in het cijfer van verdienste ten opzichte van de standaardbenadering van het meten van verschuivingen van resonantiekenmerken in de reflectiespectra van dezelfde sensor.

Planaire structuren die Tamm-grensvlaktoestanden ondersteunen, kunnen worden gefabriceerd door een verscheidenheid aan materialen te gebruiken, inclusief die compatibel zijn met standaard complementaire metaaloxidehalfgeleidertechnologieën (CMOS). De resonantiegolflengten van Tamm-sensoren zijn zeer afstembaar, en zijn niet direct afhankelijk van de plasmafrequentie van het absorptiemateriaal. De sensoren zijn vatbaar voor snelle en grootschalige fabricage door ofwel sputteren van dampafzettingstechnieken.

In tegenstelling tot plasmonische sensoren met nanopatroon, planaire Tamm-detectoren kunnen worden gebruikt in zware omgevingscondities, inclusief corrosieve atmosfeer en hoge temperaturen, die ernstige degradatie van nanogestructureerde oppervlaktetextuur kan veroorzaken. Hoewel de ontwikkelde Tamm-absorbers alleen werden gekarakteriseerd als temperatuursensoren, ze bieden een eenvoudige, gevoelig en afstembaar platform voor een breed scala aan detectietoepassingen, waaronder het bewaken van bio-/chemische bindingsgebeurtenissen op het oppervlak en omgevingsdetectie.

De resultaten van dit werk worden gerapporteerd in de ACS Fotonica paper "Topologische engineering van optische Tamm-toestanden voor zeer gevoelige optische detectie in de buurt van enkelvoudige fase."