Un ricercatore ha scoperto una nuova tecnica per la rilevazione dei fotoni.

12 dicembre 2023

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dall'Università della Florida Centrale

Debashis Chanda, ricercatore dell'Università della Florida Centrale, professore al Centro di Tecnologia NanoScienze, ha sviluppato una nuova tecnica per rilevare i fotoni, particelle elementari che spaziano dalla luce visibile alle frequenze radio e sono fondamentali per la comunicazione cellulare.

Questo avanzamento potrebbe portare a tecnologie più precise ed efficienti in vari settori, migliorando l'imaging medico e i sistemi di comunicazione, potenziando la ricerca scientifica e, potenzialmente, rafforzando misure di sicurezza.

La rilevazione dei fotoni si basa solitamente sulla variazione/modulazione dell'ampiezza di tensione o corrente. Ma Chanda ha sviluppato un modo per rilevare i fotoni mediante la modulazione della frequenza di un circuito oscillante, aprendo la strada alla rilevazione ultrasensibile dei fotoni.

Il metodo di Chanda utilizza un materiale speciale a cambiamento di fase (PCM) che cambia forma quando viene colpito dalla luce, creando un ritmo elettrico che rimane stabile, o un'oscillazione stabile del circuito elettrico. Quando un fotone di luce colpisce il materiale, cambia la velocità del ritmo, o modifica la frequenza di oscillazione. Quanto il ritmo cambia dipende da quanto è intensa la luce, simile a come la voce di una persona cambia il suono alla radio.

La nuova scoperta è stata pubblicata di recente su Advanced Functional Materials.

La rilevazione nell'infrarosso a lunghe onde (LWIR) nella gamma di lunghezza d'onda compresa tra 8 e 12 micrometri è estremamente importante in astronomia, scienza del clima, analisi dei materiali e sicurezza. Tuttavia, la rilevazione LWIR a temperatura ambiente rappresenta una sfida da lungo tempo a causa della bassa energia dei fotoni.

Attualmente, i rilevatori LWIR disponibili possono essere ampiamente suddivisi in due tipi: rilevatori refrigerati e rilevatori a temperatura ambiente, entrambi con le loro limitazioni.

Mentre i rilevatori refrigerati offrono un'ottima capacità di rilevamento, richiedono il raffreddamento criogenico, rendendoli costosi e limitando la loro utilità pratica. D'altra parte, i rilevatori a temperatura ambiente possono operare a temperatura ambiente, ma soffrono di bassa capacità di rilevamento e risposta lenta a causa del maggiore rumore termico intrinseco al funzionamento a temperatura ambiente. Un rilevatore/telecamera infrarossi a basso costo, altamente sensibile e veloce continua a presentare sfide scientifiche e tecnologiche.

Questo è il motivo principale per cui le telecamere LWIR non vengono ampiamente utilizzate se non in applicazioni specifiche del Dipartimento della Difesa e dello spazio.

"A differenza di tutti gli attuali schemi di rilevazione dei fotoni in cui il potere della luce cambia l'ampiezza di tensione o corrente (modulazione di ampiezza - AM), nel sistema proposto i fotoni colpiscono il circuito oscillante e vengono rilevati come una variazione di frequenza, offrendo una robustezza intrinseca ai rumori, che sono di natura AM", afferma Chanda.

"Il nostro approccio basato sulla modulazione di frequenza offre un'eccezionale potenza equivalente al rumore a temperatura ambiente, tempo di risposta e capacità di rilevamento" dice Chanda. "Questo concetto generale di rilevazione dei fotoni basato su FM può essere implementato in qualsiasi intervallo spettrale basato su altri materiali a cambiamento di fase".

"I nostri risultati introducono questo nuovo rilevatore basato su FM come una piattaforma unica per la creazione di rilevatori infrarossi non refrigerati e sistemi di imaging ad alta efficienza e basso costo per varie applicazioni come rilevamento remoto, imaging termico e diagnosi mediche", afferma Chanda. "Siamo convinti che le prestazioni possano essere ulteriormente migliorate con un imballaggio su scala industriale adeguato".

Questo concetto sviluppato dal gruppo di Chanda rappresenta un cambiamento di paradigma per la rilevazione LWIR non refrigerata di elevata sensibilità, poiché il rumore limita la sensibilità di rilevazione. Questo risultato promette un nuovo schema di rilevazione LWIR non refrigerato che è altamente sensibile, a basso costo e può essere facilmente integrato con circuiti di lettura elettronici, senza la necessità di una complessa ibridazioneMaggiori informazioni: Tianyi Guo et al, Frequency Modulation Based Long‐Wave Infrared Detection and Imaging at Room Temperature, Advanced Functional Materials (2023). DOI: 10.1002/adfm.202309298

Informazioni sulla rivista: Advanced Functional Materials

Fornito da Università della Florida Centrale