Materialforskare och ingenjörer har utvecklat en sensor som är snabb, känslig och effektiv nog att upptäcka specifika våglängder av elektromagnetisk energi när du är på resande fot. Tekniken kan aktivt skanna områden efter metan- eller naturgasläckage, övervaka hälsan hos stora grödor eller sortera snabbt plast för återvinning.

I nära samarbete med det optoelektroniska materialföretaget SRICO, ingenjörer från Duke University har byggt en prototypdetektor som slår de befintliga konkurrenterna i storlek, vikt, kraft, hastighet och, viktigast, kosta.

Den nya tekniken bygger på metamaterial - konstruerade strukturer gjorda av noggrant utformade repeterande celler som kan interagera med elektromagnetiska vågor på onaturliga sätt. Genom att kombinera till synes enkla metallmönster med extremt tunna skivor av perfekta kristaller, ingenjörerna skapade en strömlinjeformad enhet som kunde upptäcka osynliga infraröda signaturer som sänds ut av olika typer av gaser, plast och andra källor.

Resultaten dök upp den 20 februari, 2017, i tidningen Optica .

"Fördelen med att använda metamaterial är att olika komponenter som krävs i en detektor kan kombineras till en funktion, sa Willie Padilla, professor i el- och datateknik vid Duke. "Den förenklingen ger dig mycket effektivitet."

I en typisk termisk detektor, infraröda ljusvågor absorberas och omvandlas till värme av en svart substans, i huvudsak sot. Denna värme leds till en separat komponent som skapar en elektrisk signal som sedan läses ut. Denna inställning skapar hastighetsbegränsningar, och endast genom att lägga över filter eller ett komplext system av rörliga speglar, kan specifika våglängder pekas ut.

Den nya metamaterialsensorn stöter på båda dessa frågor.

Varje liten del av detektorn består av ett guldmönster som sitter ovanpå litiumniobatkristall. Denna kristall är pyroelektrisk, vilket betyder att när det blir varmt, det skapar en elektrisk laddning. Som att raka av en bit ost från ett block, ingenjörer på SRICO använder en jonstråle för att skala en bit kristall som bara är 600 nanometer tjock. Denna teknik eliminerar potentiella defekter i den kristallina strukturen, vilket minskar bakgrundsljud. Det skapar också en tunnare skiva än andra tillvägagångssätt, så att kristallen värms upp snabbare.

Vanligtvis, denna kristall är så tunn att ljus helt enkelt skulle färdas igenom utan att absorberas. Dock, forskare skräddarsyr det översta lagret av guld till ett mönster som kombineras med kristallens egenskaper för att få pixeln att bara absorbera ett specifikt område av elektromagnetiska frekvenser, att ta bort behovet av separata filter. När kristallen värms upp och genererar en elektrisk laddning, guldet gör sedan dubbel plikt genom att bära signalen till detektorns förstärkare, eliminerar behovet av separata elektriska ledningar.

"Dessa design gör att den här tekniken kan vara 10 till 100 gånger snabbare än befintliga detektorer eftersom värmen skapas direkt av kristallen", sa Jon Suen, en postdoktor vid Padillas laboratorium. "Detta låter oss skapa enheter med färre pixlar och presenterar också möjligheten att svepa detektorn över ett område eller ta bilder i rörelse."

"Det här är ett så bra äktenskap av teknologier, "sa Vincent Stenger, ingenjör på SRICO och medförfattare av tidningen. "Att arbeta med Duke har varit en av de mest idealiska situationerna jag har haft med tekniköverföring. Vi kan fokusera på att tillverka materialet och de kan fokusera på enhetens struktur. Båda sidor har bidragit med en tydlig produkt i åtanke att vi" jobbar nu med marknadsföring."

Forskarna kan tillverka enheten för att upptäcka ett specifikt intervall av elektromagnetiska frekvenser helt enkelt genom att göra om detaljerna i guldmönstret.

Stenger och hans kollegor på SRICO har redan skapat en enpixel prototyp som ett proof of concept. De arbetar för närvarande med att hitta finansiering från branschinvesterare eller eventuellt ett statligt bidrag.

Forskarna är optimistiska eftersom deras enhet har många fördelar jämfört med befintlig teknik. Dess snabba detekteringstid gör att den snabbt kan skanna över ett område medan den letar efter metan- eller naturgasläckor. Enkelheten i dess design gör den lätt att bära in på åkrar för att bedöma jordbruksgrödornas hälsa.

"Du kan till och med göra detta till ett billigt laboratorieinstrument för spektroskopi för medicinska prover, "sa Padilla." Jag är inte säker på vad den slutliga prispunkten skulle bli, men det skulle vara mycket mindre än $300, 000 instrument som vi för närvarande har i vårt laboratorium. "