Onderzoeker Debashis Chanda van de University of Central Florida, professor aan het NanoScience Technology Center, heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om fotonen te detecteren:elementaire deeltjes die zich uitstrekken van zichtbaar licht tot radiofrequenties en een belangrijke rol spelen bij het overbrengen van cellulaire communicatie.

De vooruitgang zou kunnen leiden tot nauwkeurigere en efficiëntere technologieën op verschillende gebieden, van het verbeteren van medische beeldvormings- en communicatiesystemen tot het verbeteren van wetenschappelijk onderzoek en mogelijk zelfs het versterken van beveiligingsmaatregelen.

Fotonendetectie is doorgaans gebaseerd op verandering/modulatie van de spanning of stroomamplitude. Maar Chanda heeft een manier ontwikkeld om fotonen te detecteren door de frequentie van een oscillerend circuit te moduleren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor ultragevoelige fotonendetectie.

De methode van Chanda maakt gebruik van een speciaal faseveranderingsmateriaal (PCM) dat van vorm verandert wanneer er licht op valt, waardoor een elektrisch ritme ontstaat dat stabiel blijft, of een stabiele oscillatie van het elektrische circuit. Wanneer een lichtfoton het materiaal raakt, verandert het hoe snel het ritme gaat, of verschuift de oscillatiefrequentie. Hoeveel het ritme verandert, hangt af van hoe sterk het licht is, vergelijkbaar met hoe iemands stem het geluid op de radio verandert.

De nieuwe ontwikkeling is onlangs gepubliceerd in Advanced Functional Materials.

Langegolf-infrarooddetectie (LWIR) in het golflengtebereik van 8 tot 12 micrometer is uiterst belangrijk in de astronomie, klimaatwetenschap, materiaalanalyse en beveiliging. LWIR-detectie bij kamertemperatuur is echter al lang een uitdaging vanwege de lage energie van fotonen.

LWIR-detectoren die momenteel beschikbaar zijn, kunnen grofweg in twee typen worden onderverdeeld:gekoelde en ongekoelde detectoren, waarbij beide hun eigen beperkingen hebben.

Hoewel gekoelde detectoren uitstekende detectiemogelijkheden bieden, vereisen ze cryogene koeling, waardoor ze duur worden en hun praktische bruikbaarheid wordt beperkt. Aan de andere kant kunnen ongekoelde detectoren bij kamertemperatuur werken, maar lijden ze aan een lage detectiviteit en een trage respons vanwege de hogere thermische ruis die inherent is aan de werking op kamertemperatuur. Een goedkope, zeer gevoelige, snelle infrarooddetector/camera blijft het hoofd bieden aan wetenschappelijke en technologische uitdagingen.

Dit is de belangrijkste reden waarom LWIR-camera's niet op grote schaal worden gebruikt, behalve bij het ministerie van Defensie en ruimtespecifieke toepassingen.

"In tegenstelling tot alle huidige fotonendetectieschema's waarbij lichtkracht de amplitude van spanning of stroom verandert (amplitudemodulatie - AM), moduleren treffers of incidenten van fotonen in het voorgestelde schema de frequentie van een oscillerend circuit en worden ze gedetecteerd als een frequentieverschuiving, het biedt inherente robuustheid aan geluiden, die van aard AM zijn", zegt Chanda.

"Onze op FM gebaseerde aanpak levert een uitstekend geluid-equivalent vermogen, responstijd en detectievermogen op bij kamertemperatuur", zegt Chanda. "Dit algemene FM-gebaseerde fotonendetectieconcept kan worden geïmplementeerd in elk spectraal bereik op basis van andere faseveranderingsmaterialen."

"Onze resultaten introduceren deze nieuwe FM-gebaseerde detector als een uniek platform voor het creëren van goedkope, hoogefficiënte ongekoelde infrarooddetectoren en beeldvormingssystemen voor verschillende toepassingen zoals teledetectie, thermische beeldvorming en medische diagnostiek", zegt Chanda. "Wij zijn ervan overtuigd dat de prestaties verder kunnen worden verbeterd met de juiste verpakking op industriële schaal."

Dit door de Chanda-groep ontwikkelde concept biedt een paradigmaverschuiving naar zeer gevoelige, ongekoelde LWIR-detectie, aangezien ruis de detectiegevoeligheid beperkt. Dit resultaat belooft een nieuw ongekoelde LWIR-detectieschema dat zeer gevoelig is, goedkoop is en gemakkelijk kan worden geïntegreerd met elektronische uitleescircuits, zonder de noodzaak van complexe hybridisatie.

Meer informatie: Tianyi Guo et al., Op frequentiemodulatie gebaseerde langegolf-infrarooddetectie en beeldvorming bij kamertemperatuur, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202309298

Journaalinformatie: Geavanceerde functionele materialen

Aangeboden door University of Central Florida