Ny forskning vid University of Maryland kan leda till en generation ljusdetektorer som kan se under kroppsytan, väggar, och andra föremål. Med hjälp av grafens speciella egenskaper, en tvådimensionell form av kol som bara är en atom tjock, en prototypdetektor kan se ett utomordentligt brett band av våglängder. Inkluderat i detta sortiment är ett band av ljusvåglängder som har spännande potentiella tillämpningar men som är notoriskt svåra att upptäcka:terahertzvågor, som är osynliga för det mänskliga ögat.

En forskningsartikel om den nya detektorn publicerades söndag, 07 september, 2014 in Naturens nanoteknik . Huvudförfattare Xinghan Cai, en fysik doktorand vid University of Maryland, sa att en detektor som forskarnas prototyp "kunde hitta applikationer inom nya terahertz -områden som mobilkommunikation, medicinsk bildbehandling, kemisk avkänning, nattseende, och säkerhet. "

Ljuset vi ser belysa vardagliga föremål är faktiskt bara ett mycket smalt band av våglängder och frekvenser. Terahertz-ljusvågornas långa våglängder och låga frekvenser faller mellan mikrovågor och infraröda vågor. Ljuset i dessa terahertzvåglängder kan passera genom material som vi normalt tänker på som ogenomskinliga, såsom hud, plast, Kläder, och kartong. Den kan också användas för att identifiera kemiska signaturer som endast avges inom terahertzområdet.

Få tekniska tillämpningar för terahertz-detektering är för närvarande realiserade, dock, delvis för att det är svårt att upptäcka ljusvågor i detta intervall. För att behålla känsligheten, de flesta detektorer måste hållas extremt kalla, runt 4 Kelvin, eller -452 grader Fahrenheit. Befintliga detektorer som arbetar i rumstemperatur är skrymmande, långsam, och oöverkomligt dyrt.

Den nya rumstemperaturdetektorn, utvecklat av University of Maryland-teamet och kollegor vid U.S. Naval Research Lab och Monash University, Australien, löser dessa problem genom att använda grafen, ett enda lager av sammankopplade kolatomer. Genom att använda grafens speciella egenskaper, forskargruppen har kunnat öka hastigheten och bibehålla känsligheten för rumstemperaturvågdetektering i terahertz -området.

Med hjälp av en ny driftsprincip som kallas "varmelektronfototermoelektrisk effekt, "forskargruppen skapade en enhet som är" lika känslig som alla befintliga rumstemperaturdetektorer i terahertz -intervallet och mer än en miljon gånger snabbare, "säger Michael Fuhrer, professor i fysik vid University of Maryland och Monash University, Australien.

grafen, ett ark av rent kol endast en atom tjockt, är unikt lämpad att använda i en terahertz-detektor eftersom när ljus absorberas av elektronerna suspenderade i grafenens bikakegitter, de förlorar inte sin värme till gallret utan behåller istället den energin.

Konceptet bakom detektorn är enkelt, säger University of Maryland fysikprofessor Dennis Drew. "Ljus absorberas av elektronerna i grafen, som värms upp men inte förlorar sin energi lätt. Så de förblir varma medan kolatomgittret förblir kallt." Dessa uppvärmda elektroner flyr grafenet genom elektriska ledningar, ungefär som ånga som kommer ut från en tekokare. Prototypen använder två elektriska ledningar av olika metaller, som leder elektroner i olika hastigheter. På grund av denna konduktivitetsskillnad, fler elektroner kommer att fly genom den ena än den andra, producerar en elektrisk signal.

Denna elektriska signal detekterar närvaron av terahertzvågor under ytan av material som verkar ogenomskinligt för det mänskliga ögat - eller till och med röntgenstrålar. Du kan inte se genom din hud, till exempel, och en röntgen går rakt igenom huden till benet, saknar lagren precis under hudens yta helt och hållet. Terahertz-vågorna ser mittemellan. Hastigheten och känsligheten hos rumstemperaturdetektorn som presenteras i denna forskning öppnar dörren till framtida upptäckter i denna mellanzon.