Forscher entdeckt neue Technik zur Photonenerkennung

12. Dezember 2023

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von der University of Central Florida

Debashis Chanda, ein Forscher der University of Central Florida und Professor am NanoScience Technology Center, hat eine neue Technik zur Detektion von Photonen entwickelt - elementare Teilchen, die von sichtbarem Licht bis zu Radiofrequenzen reichen und eine Schlüsselrolle in der zellulären Kommunikation spielen.

Dieser Fortschritt könnte zu präziseren und effizienteren Technologien in verschiedenen Bereichen führen, von der Verbesserung von medizinischen Bildgebungssystemen und Kommunikationssystemen bis hin zur Förderung wissenschaftlicher Forschung und möglicherweise sogar zur Stärkung von Sicherheitsmaßnahmen.

Die Photondetektion beruhte bisher in der Regel auf der Änderung/Modulation der Spannungs- oder Stromstärke. Chanda hat jedoch eine Methode entwickelt, um Photonen durch Modulation der Frequenz eines oszillierenden Schaltkreises zu detektieren und ebnet damit den Weg für eine ultrasensitive Photonendetektion.

Chandas Methode verwendet ein spezielles Phasenwechselmaterial (PCM), das seine Form ändert, wenn es vom Licht berührt wird, und so eine gleichmäßige elektrische Rhythmik erzeugt - eine stabile elektrische Schwingung des Schaltkreises. Wenn ein Lichtphoton auf das Material trifft, ändert es, wie schnell der Rhythmus verläuft, oder verschiebt die Oszillationsfrequenz. Wie stark der Rhythmus sich ändert, hängt davon ab, wie stark das Licht ist - ähnlich wie die Stimme eines Menschen den Ton im Radio beeinflusst.

Die neue Entwicklung wurde kürzlich in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Die Detektion von langwelliger Infrarotstrahlung (LWIR) im Wellenlängenbereich von 8 bis 12 Mikrometern ist in der Astronomie, Klimatologie, Materialanalyse und Sicherheit von großer Bedeutung. Die LWIR-Detektion bei Raumtemperatur war jedoch aufgrund der geringen Energie der Photonen eine langjährige Herausforderung.

LWIR-Detektoren, die derzeit erhältlich sind, können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: gekühlte und ungekühlte Detektoren, wobei beide ihre eigenen Einschränkungen haben.

Gekühlte Detektoren bieten zwar eine hervorragende Nachweisfähigkeit, erfordern jedoch kryogene Kühlung, was sie teuer macht und ihre praktische Anwendbarkeit einschränkt. Auf der anderen Seite können ungekühlte Detektoren bei Raumtemperatur betrieben werden, weisen jedoch aufgrund des höheren thermischen Rauschens, das inherent bei der Raumtemperatur-Operation ist, eine geringe Nachweisfähigkeit und eine langsame Reaktionszeit auf. Ein kostengünstiger, hochsensibler, schneller Infrarotdetektor/-kamera ist nach wie vor mit wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen konfrontiert.

Dies ist der Hauptgrund dafür, dass LWIR-Kameras außerhalb von Anwendungen des Verteidigungsministeriums und des Weltraums nicht weit verbreitet sind.

"Im Gegensatz zu allen bisherigen Photondetektionsverfahren, bei denen die Lichtleistung die Amplitude der Spannung oder des Stroms ändert (Amplitudenmodulation - AM), modulieren in dem vorgeschlagenen Verfahren die Auftreffpunkte oder Einwirkungen von Photonen die Frequenz eines oszillierenden Schaltkreises und werden als Frequenzverschiebung erkannt, was eine inhärente Störfestigkeit gegenüber Rauschen bietet, das AM-naturgegeben ist", sagt Chanda.

'Unser FM-basierter Ansatz liefert eine herausragende äquivalente Raumtemperaturleistung, Reaktionszeit und Nachweisfähigkeit', sagt Chanda. 'Dieses allgemeine FM-basierte Photondetektionskonzept kann in jedem Spektralbereich auf der Grundlage anderer Phasenwechselmaterialien implementiert werden.'

"Unsere Ergebnisse stellen diesen neuartigen FM-basierten Detektor als einzigartige Plattform zur Erstellung von kostengünstigen, hochwirksamen ungekühlten Infrarotdetektoren und Bildgebungssystemen für verschiedene Anwendungen wie Fernerkundung, Wärmebildgebung und medizinische Diagnostik vor", sagt Chanda. "Wir sind fest davon überzeugt, dass die Leistung mit der richtigen industriellen Verpackung weiter verbessert werden kann."

Dieses von der Chanda-Gruppe entwickelte Konzept ermöglicht einen Paradigmenwechsel hin zu hochsensitiver, ungekühlter LWIR-Detektion, da das Rauschen die Nachweisempfindlichkeit begrenzt. Dieses Ergebnis verspricht ein neuartiges, hochsensitives, kostengünstiges LWIR-Detektionsverfahren, das problemlos in die elektronische Auslesekreislauftechnik integriert werden kann, ohne dass eine komplexe Hybridisierung erforderlich ist.

Zeitschrifteninformation: Advanced Functional Materials

Bereitgestellt von University of Central Florida