Новое исследование в Университете Мэриленда может привести к поколению легких датчиков, которые видят сквозь поверхности тел, стен и других объектов. Используя особые свойства графена — двумерной формы углерода, толщиной в один атом, детектор в состоянии видеть чрезвычайно широкий диапазон частот длин волн. В этот диапазон входят длины волн света, которые важны в применении, но являются трудно обнаружимыми — это невидимые человеческому глазу терагерц-волны.
Научная статья о новом датчике была издана в воскресенье 7 сентября 2014 года в «Nature Nanotechnology». Ведущий автор Синхань Цай, аспирант физики Университета Мэриленда, сказал, что датчик может найти применение в развивающихся областях терагерцового диапазана, таких как мобильная связь, медицинская диагностика, химическое зондирование, ночное видение и безопасность.
Свет, видимый нами, который освещает предметы повседневного пользования, является фактически очень узкой группой длин волн. Диапазон терагерц-волн находится между микроволнами и инфракрасными волнами. Свет этих волн может пройти через материалы, которые для нас кажутся непрозрачными: кожа, пластик, одежда, картон. Их можно использовать для определения химических сигналов, которые испускаются только в терагерцовом диапазоне.
Несколько технологических приложений терагерцового обнаружения в настоящее время реализуются, однако, отчасти, потому что трудно обнаружить световые волны в этом диапазоне. Чтобы поддержать чувствительность датчиков, нужна чрезвычайно низкая температура, приблизительно -269,15 °С. Существующие датчики, которые работают при комнатной температуре, громоздкие, медленные и слишком дорогие.
Новый датчик, разработанный командой ученых из Университета Мэриленда и их коллегами из американской военно-морской научно-исследовательской лаборатории при университете Монаш, Австралия, обходит эти проблемы при помощи графена. Используя уникальные свойства графена, исследовательская группа смогла увеличить скорость и поддержать чувствительность обнаружения волны в диапазоне терагерца при комнатной температуре.
Применяя новый операционный принцип, называемый «фототермоэлектрический эффект горячих электронов», исследовательская группа создала устройство, которое столь же чувствительно как любой существующий датчик комнатной температуры в диапазоне терагерца и более чем в миллион раз быстрее.
Концепция датчика проста. Профессор физики Университета Мэриленда Деннис Дрю объясняет: «Свет поглощается электронами в графене, которые нагреваются, но не теряют свою энергию. Таким образом, они остаются горячими, в то время как атомная решетка углерода остается холодной». Эти нагретые электроны «убегают» из графена через электрические провода, так же как пар выходит из чайника при кипении. Устройство использует два электрических провода, изготовленных из различных металлов, которые проводят электроны с разной скоростью. Из-за этой разницы в проводимости больше электронов будет выходить через один провод, чем через другой, производя электрический сигнал.
Этот электрический сигнал обнаруживает присутствие терагерц-волн под поверхностью материалов, которые кажутся непрозрачными для человеческого глаза или даже для рентгеновских лучей. Например, вы не можете видеть через кожу, а рентгеновские лучи идут через кожу к кости, промежуточные слои не отображены. Терагерц-волны же видят все слои.
