Deep-Subwavelength Plasmon Polariton Atomic Cavity Nano-detector for Polarimetric Terahertz Detection and Imaging

Terahertzstraling neemt een unieke en vaak moeilijk bereikbare hoek in het elektromagnetische spectrum in, zittend tussen de microgolven die worden gebruikt voor Wi-Fi en het infrarode licht dat wordt gevoeld als warmte. Deze band van energie is waardevol omdat deze door veel gangbare materialen zoals kleding, plastic en karton kan gaan zonder levend weefsel te beschadigen, maar reflecteert op metalen en interageert met de moleculaire structuur van chemicaliën. Dit maakt het een krachtig instrument om in verzegelde pakketten te kijken, microchips te inspecteren op verborgen defecten, of gedetailleerde beveiligingsbeelden te creëren. Het effectief opvangen van deze straling is echter lang een uitdaging geweest. Traditionele sensoren zijn vaak lomp, vereisen vrieskoude temperaturen om te werken, of zijn te traag om snel bewegende gebeurtenissen vast te leggen. Bovendien, omdat terahertzgolven zo lang zijn in vergelijking met de minuscule kenmerken van moderne elektronica, zorgt het verkleinen van een sensor tot microscopische grootte er meestal voor dat deze zijn vermogen verliest om de golven te "voelen", aangezien de interactie tussen de golf en de detector te zwak wordt om te meten.

Een team onderzoekers aan de Sun Yat-sen Universiteit heeft een nieuw type sensor ontwikkeld dat deze hindernissen overwint door extreme miniaturisering te combineren met een slim gebruik van lichtvangende geometrie. Ze creëerden een apparaat dat zo klein is dat het in een ruimte past die ongeveer zestig keer kleiner is dan de golflengte van het terahertzlicht dat het detecteert, maar het blijft toch zeer gevoelig en snel. De kern van deze uitvinding is een platte, atoomdunne laag koolstof bekend als grafeen, die is vormgegeven in een specifiek array van kleine rechthoekige vormen. Wanneer terahertzgolven deze rechthoeken raken, raken de golven gevangen en geconcentreerd binnen de kleine openingen, vergelijkbaar met geluid dat zich opbouwt in een kleine kamer. Deze concentratie dwingt het licht om sterk te interageren met het grafeen, zelfs al is het materiaal ongelooflijk dun. Het apparaat heeft geen externe lenzen of lompe antennes nodig om te werken; het gepatroneerde grafeen zelf fungeert zowel als de vanger voor de golven als de draad die het resulterende signaal geleidt.

De onderzoekers ontdekten dat ze door de vorm van deze rechthoekige patronen te veranderen, de sensor konden afstemmen om te reageren op verschillende frequenties van terahertzlicht. Belangrijker nog, de rechthoekige vorm gaf de sensor een ingebouwd gevoel van richting. Net zoals een raam meer licht binnenlaat wanneer de zon er recht voor staat dan wanneer deze opzij staat, reageren deze sensoren sterk wanneer de terahertzgolven ze vanuit een specifieke hoek raken en zwakker vanuit andere hoeken. Dit stelt het apparaat in staat om de oriëntatie van de inkomende golven te onderscheiden zonder dat er bewegende onderdelen of extra filters nodig zijn. In hun experimenten demonstreerden het team dat de sensor golven kon detecteren over een breed bereik van frequenties, van 0,53 tot 4,24 terahertz, met een hoge mate van nauwkeurigheid in het identificeren van de richting van de golf.

Een van de meest opmerkelijke prestaties van dit werk is de snelheid waarmee de sensor werkt. Omdat het actieve gebied van het apparaat zo klein is, legt de warmte die wordt gegenereerd door de geabsorbeerde licht een zeer korte afstand af voordat deze wordt omgezet in een elektrisch signaal. Dit stelt de sensor in staat om in slechts 230 picoseconden te reageren, een tijdsbestek dat zo kort is dat het sneller is dan de meeste bestaande terahertzdetectoren. Het team mat het vermogen van het apparaat om zwakke signalen te detecteren en vond dat het vermogensniveaus van slechts 16 picowatt kon identificeren, een gevoeligheid die wedijvert met veel grotere en complexere systemen. De sensor werkt op kamertemperatuur, wat betekent dat er geen zware koelapparatuur nodig is die veel andere hoogwaardige detectoren beperkt.

Om de praktische waarde van deze technologie te bewijzen, gebruikten de onderzoekers hun sensor om afbeeldingen te maken van een verzegelde halfgeleiderchip. Door te analyseren hoe de terahertzgolven van de chip reflecteerden en van polarisatie veranderden, kon de sensor duidelijk onderscheid maken tussen de geleidende metalen lijnen en de niet-geleidende gebieden binnen de verpakking, allemaal zonder de chip te openen. Deze capaciteit suggereert dat dergelijke sensoren gebruikt kunnen worden om delicate elektronica te inspecteren op defecten of om verborgen structuren te zien op een manier die voorheen onmogelijk was met een zo klein, snel en eenvoudig apparaat. Het werk laat zien dat het, door de vorm van een materiaal op atomaire schaal zorgvuldig te ontwerpen, mogelijk is om licht te laten zich gedragen op manieren die de gebruikelijke grenzen van grootte tarten, wat de deur opent naar een nieuwe generatie compacte, snelle beeldvormingsinstrumenten.