Nieuw onderzoek aan de Universiteit van Maryland zou kunnen leiden tot een generatie lichtdetectoren die onder het oppervlak van lichamen kunnen kijken, muren, en andere objecten. Door gebruik te maken van de speciale eigenschappen van grafeen, een tweedimensionale vorm van koolstof die slechts één atoom dik is, een prototype detector is in staat om een ​​buitengewoon brede band van golflengten te zien. Inbegrepen in dit bereik is een band van lichtgolflengten die opwindende potentiële toepassingen hebben, maar notoir moeilijk te detecteren zijn:terahertz-golven, die voor het menselijk oog onzichtbaar zijn.

Zondag werd een onderzoekspaper over de nieuwe detector gepubliceerd, 07 september 2014 in Natuur Nanotechnologie . Hoofdauteur Xinghan Cai, een afgestudeerde natuurkundestudent van de Universiteit van Maryland, zei dat een detector zoals het prototype van de onderzoekers "toepassingen zou kunnen vinden in opkomende terahertz-velden zoals mobiele communicatie, medische beeldvorming, chemische detectie, nachtzicht, en veiligheid."

Het licht dat we zien dat alledaagse voorwerpen verlicht, is eigenlijk slechts een zeer smalle band van golflengten en frequenties. De lange golflengten en lage frequenties van Terahertz-lichtgolven vallen tussen microgolven en infrarode golven. Het licht in deze terahertz-golflengten kan door materialen gaan die we normaal als ondoorzichtig beschouwen, zoals huid, kunststoffen, kleding, en karton. Het kan ook worden gebruikt om chemische handtekeningen te identificeren die alleen in het terahertz-bereik worden uitgezonden.

Er zijn momenteel weinig technologische toepassingen voor terahertz-detectie gerealiseerd, echter, gedeeltelijk omdat het moeilijk is om lichtgolven in dit bereik te detecteren. Om de gevoeligheid te behouden, de meeste detectoren moeten extreem koud worden bewaard, rond de 4 Kelvin, of -452 graden Fahrenheit. Bestaande detectoren die werken bij kamertemperatuur zijn omvangrijk, traag, en onbetaalbaar.

De nieuwe kamertemperatuurdetector, ontwikkeld door het team van de Universiteit van Maryland en collega's van het U.S. Naval Research Lab en Monash University, Australië, omzeilt deze problemen door grafeen te gebruiken, een enkele laag onderling verbonden koolstofatomen. Door gebruik te maken van de bijzondere eigenschappen van grafeen, het onderzoeksteam heeft de snelheid kunnen verhogen en de gevoeligheid van kamertemperatuurgolfdetectie in het terahertz-bereik kunnen behouden.

Door gebruik te maken van een nieuw werkingsprincipe, het "hot-electron photothermoelectric effect", " het onderzoeksteam creëerde een apparaat dat "zo gevoelig is als elke bestaande kamertemperatuurdetector in het terahertz-bereik en meer dan een miljoen keer sneller, " zegt Michael Führer, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Maryland en Monash University, Australië.

grafeen, een vel pure koolstof van slechts één atoom dik, is bij uitstek geschikt voor gebruik in een terahertz-detector, omdat wanneer licht wordt geabsorbeerd door de elektronen die in het honingraatrooster van het grafeen hangen, ze verliezen hun warmte niet aan het rooster, maar behouden die energie.

Het concept achter de detector is eenvoudig, zegt natuurkundeprofessor Dennis Drew van de Universiteit van Maryland. "Licht wordt geabsorbeerd door de elektronen in grafeen, die warm worden maar niet snel hun energie verliezen. Ze blijven dus heet terwijl het koolstofatoomrooster koud blijft." Deze verwarmde elektronen ontsnappen aan het grafeen via elektrische leidingen, net als stoom die uit een theeketel ontsnapt. Het prototype maakt gebruik van twee elektrische snoeren van verschillende metalen, die elektronen met verschillende snelheden geleiden. Vanwege dit geleidbaarheidsverschil, meer elektronen zullen door de ene ontsnappen dan door de andere, een elektrisch signaal produceren.

Dit elektrische signaal detecteert de aanwezigheid van terahertz-golven onder het oppervlak van materialen die voor het menselijk oog ondoorzichtig lijken - of zelfs röntgenstralen. Je kunt niet door je huid kijken, bijvoorbeeld, en een röntgenfoto gaat dwars door de huid tot op het bot, de lagen net onder het huidoppervlak volledig missen. Terahertz-golven zien het tussenliggende. De snelheid en gevoeligheid van de in dit onderzoek gepresenteerde kamertemperatuurdetector opent de deur naar toekomstige ontdekkingen in deze tussenzone.