Een team van UO-fysici heeft een nieuwe manier bedacht om licht te meten:met microscopisch kleine trommels om licht te horen.

De technologie uit het Alemán Lab, bekend als een "grafeen nanomechanische bolometer, " maakt gebruik van een veelbelovende nieuwe methode en materiaal om bijna elke kleur licht te detecteren bij hoge snelheden en hoge temperaturen.

"Deze tool is de snelste en meest gevoelige in zijn klasse, " zei Benjamin Aleman, een professor in de natuurkunde en lid van het UO's Centre for Optical, Moleculair, en Quantum Science en een medewerker van de Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

Het apparaat biedt een alternatief voor de conventionele manier om elektriciteit te gebruiken om licht te meten, zoals gevonden in apparaten zoals de camera van een smartphone. In plaats daarvan, deze mechanische methode vangt de trillingen van oneindig dunne trommels op die door licht worden veroorzaakt. De natuurkundigen verkrijgen metingen door te luisteren naar het geluid van het licht dat door het trommelvel wordt geabsorbeerd.

De manier waarop de technologie werkt, is vergelijkbaar met het effect van het slaan van een trommel op een warme dag. Terwijl het instrument opwarmt onder de leidingenzon, het drumvel membraan zal uitzetten en de toonhoogte verandert, een andere toon uitstoten dan bij lagere temperaturen.

De lichtgolven doen hetzelfde met de mechanische bolometers. Als licht het trommelvel van het apparaat raakt, het membraan warmt op, breidt uit, en de vibrationele toonhoogte verandert. De natuurkundigen kunnen deze toonhoogteveranderingen volgen om te meten hoeveel licht het apparaat raakt.

"Dit is een heel nieuwe manier om licht te detecteren, " zei David Miller, een doctoraatsstudent in het Alemán Lab. "We gebruiken een puur mechanische methode om licht om te zetten in geluid. Dit heeft als voordeel dat we een veel breder scala aan licht kunnen zien."

Hij legt verder uit dat conventionele detectoren zeer betrouwbaar zijn in het lezen van hoogenergetisch licht, zoals zichtbaar licht of röntgenstralen, maar minder bedreven in het meten van de langere golflengten in het elektromagnetische spectrum, inclusief infrarood en radiogolven. Het mechanische apparaat vult die leegte en stelt de natuurkundigen in staat licht van bijna elke golflengte te detecteren. die vooral nuttig zou kunnen zijn bij astronomische waarnemingen, thermische en medische lichaamsbeeldvorming en kijken tot diep in het infrarood.

Het team construeerde het apparaat door eerst een dunne laag atomen uit te rekken over een gat dat in een stuk silicium was geëtst. Vervolgens, met behulp van een techniek die eerder in het laboratorium is ontwikkeld, ze sneden het blad om op een trampoline te lijken - een echt, echt kleine trampoline.

Het apparaat is een tiende van de breedte van een mensenhaar, terwijl het materiaal dat voor de trampoline wordt gebruikt nog kleiner is - een enkel atoom dik, ongeveer een miljoen keer dunner dan diezelfde haarlok.

"Dit systeem gebruikt grafeen, die slechts een enkele laag atomen is. Het is zo klein als het maar kan zijn." zei Andrew Blaikie, een andere promovendus in het Alemán Lab en hoofdauteur van de paper, die werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week.

grafeen, een materiaal ontdekt in 2004, is het belangrijkste ingrediënt voor het succes van de technologie. Het is een kleine, maar machtig, materiaal. Hoewel het het dunst mogelijke materiaal is, grafeen is 200 keer sterker dan staal en buitengewoon flexibel. Zijn ontdekker won in 2010 zelfs de Nobelprijs voor natuurkunde vanwege zijn potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de natuurkunde en techniek.

Dankzij de mechanische eigenschappen van grafeen kan het materiaal ongelooflijk snel reageren op temperatuurveranderingen, waardoor het licht met even hoge snelheden kan meten.

"Grafeen bood een verleidelijk vooruitzicht voor ultragevoelige en ultrasnelle lichtdetectie, "zei Blaikie. "Het heeft ook een ongeëvenaard vermogen om bijna elke golflengte van licht te meten en is bestand tegen veel hogere temperaturen dan conventionele detectoren."

Het team van natuurkundigen was in staat om de krachten van grafeen te benutten door zijn mechanische benadering van het meten van licht. Terwijl het barst van de mogelijkheden voor lichtdetectie, het materiaal heeft slecht gepresteerd door de traditionele methoden om elektrische weerstand te gebruiken om licht te meten, voornamelijk vanwege de noodzaak om tot ultralage temperaturen te worden gekoeld om bruikbaar te zijn in conventionele detectoren.

Toen ze zich realiseerden dat ze licht via hun mechanische methode in geluid konden veranderen, ze waren in staat om de vooruitzichten van grafeen te ontsluiten en de ultrasnelle, ultragevoelig apparaat dat uitblinkt in, en ver daarboven, kamertemperatuur.

Het vermogen om bij zo'n breed temperatuurbereik te presteren, is een van de meest voordelige eigenschappen van het apparaat als het gaat om het meten van licht, legde Blaikie uit. Het kan werken bij kamertemperatuur, wat zorgt voor kritische draagbaarheid, en het kan presteren onder hoge temperaturen, wat een voordeel is dat traditionele lichtdetectoren niet bieden, aangezien velen van hen zullen falen wat bekend staat als het "zonnebrandeffect, " wanneer ze beginnen af ​​​​te breken als de temperatuur stijgt.

"Grafeen is een thermisch stabiel materiaal dat temperaturen van meer dan 2 kan weerstaan, 000 graden Celsius, ' zei Blakie.

Zijn veelzijdigheid en ultragevoelige aard positioneren de nanomechanische bolometer als een nuttig hulpmiddel in vele arena's in de wetenschap, medicijn, industriële productie en astronomie. Het Alemán Lab heeft een patent aangevraagd voor de technologie.

"We hopen dat dit apparaat wetenschappers zal helpen de mysteries van onze zon en andere sterren te ontrafelen, medische diagnostiek verbeteren door veiligere thermische röntgenbeeldvorming, en brandweerlieden helpen beter te zien in branden om meer levens te redden, ' zei Aleman.