مهندسان MIT یک دوربین تراهرتز ارزان قیمت تولید می‌کنند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، دستگاه جدید دوربین تراهرتز حساسیت و سرعت بیشتری نسبت به نسخه‌های قبلی ارائه می‌دهد و می‌تواند برای بازرسی صنعتی، امنیت فرودگاه و ارتباطات استفاده شود.

تابش تراهرتز، همچنین به عنوان تابش زیر میلی متری شناخته می‌شود، دارای طول موج‌هایی است که بین امواج مایکروویو و نور مرئی قرار دارد. می‌تواند به بسیاری از مواد غیرفلزی نفوذ کند و نشانه‌های مولکول‌های خاصی را تشخیص دهد. این ویژگی‌های مفید می‌توانند به طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله کنترل کیفیت صنعتی، اسکن امنیتی فرودگاه، توصیف غیرمخرب مواد، مشاهدات اخترفیزیکی، و ارتباطات بی‌سیم با پهنای باند بالاتر از باند‌های تلفن همراه کمک کنند.

با این حال، طراحی دستگاه‌هایی برای تشخیص و ساخت تصاویر از امواج تراهرتز چالش برانگیز بوده است. به این ترتیب، اکثر دستگاه‌های تراهرتز موجود گران، کند، حجیم هستند و به سیستم‌های خلاء و دمای بسیار پایین نیاز دارند.

اکنون، نوع جدیدی از دوربین که می‌تواند پالس‌های تراهرتز را به سرعت، با حساسیت بالا و در دما و فشار اتاق تشخیص دهد توسط محققان MIT، دانشگاه مینه سوتا و سامسونگ ساخته شده است. علاوه بر این، می‌تواند به طور همزمان اطلاعاتی در مورد جهت گیری یا "قطبی شدن" امواج در زمان واقعی ضبط کند، که دستگاه‌های موجود نمی‌توانند. از این اطلاعات می‌توان برای توصیف موادی که دارای مولکول‌های نامتقارن هستند یا برای تعیین توپوگرافی سطحی مواد استفاده کرد.

سیستم جدید از ذراتی به نام نقاط کوانتومی استفاده می‌کند. اخیراً مشخص شده است که این‌ها توانایی انتشار نور مرئی را هنگام تحریک امواج تراهرتز دارند. سپس می‌توان نور مرئی را توسط دستگاهی ثبت کرد که مشابه آشکارساز دوربین‌های الکترونیکی استاندارد است و حتی با چشم غیرمسلح نیز قابل مشاهده است.

این تیم دو دستگاه مختلف تولید کردند که می‌توانند در دمای اتاق کار کنند: یکی از آن‌ها از توانایی نقطه کوانتومی برای تبدیل پالس‌های تراهرتز به نور مرئی استفاده می‌کند و دستگاه را قادر می‌سازد تا تصاویری از مواد تولید کند. دیگری تصاویری تولید می‌کند که وضعیت قطبش امواج تراهرتز را نشان می‌دهد.

"دوربین" جدید از چندین لایه تشکیل شده است که با تکنیک‌های استاندارد تولید مانند آن‌هایی که برای ریزتراشه‌ها استفاده می‌شود ساخته شده است. آرایه‌ای از خطوط موازی طلا در مقیاس نانو، که با شکاف‌های باریک از هم جدا شده اند، روی زیرلایه قرار دارند. در بالای آن لایه‌ای از ماده نقطه کوانتومی ساطع کننده نور قرار دارد؛ و بالاتر از آن یک تراشه CMOS است که برای تشکیل یک تصویر استفاده می‌شود. آشکارساز پلاریزاسیون، که پلاریمتر نامیده می‌شود، از ساختار مشابهی استفاده می‌کند، اما با شکاف‌های حلقه‌ای در مقیاس نانو، که به آن امکان می‌دهد قطبش پرتو‌های ورودی را تشخیص دهد.

نلسون توضیح می‌دهد که فوتون‌های تابش تراهرتز انرژی بسیار کمی دارند که تشخیص آن‌ها را سخت می‌کند. او می‌گوید: بنابراین، کاری که این دستگاه انجام می‌دهد این است که انرژی فوتون کوچک را به چیزی قابل مشاهده تبدیل می‌کند که به راحتی با یک دوربین معمولی قابل تشخیص است. در آزمایش‌های این تیم، این دستگاه قادر به تشخیص پالس‌های تراهرتز در سطوح با شدت پایین بود که از قابلیت‌های سیستم‌های بزرگ و گران قیمت امروزی فراتر رفت.

محققان قابلیت‌های آشکارساز سیستم را با گرفتن عکس‌هایی با نور تراهرتز از برخی از ساختار‌های مورد استفاده در دستگاه‌های خود، مانند خطوط طلا با فاصله نانو و شکاف‌های حلقه‌ای شکلی که برای آشکارساز پلاریزه استفاده می‌شوند، نشان دادند و حساسیت و وضوح تصویر را اثبات کردند.

یک دوربین CMOS برای ثبت چرخش یک پرتو تراهرتز استفاده شد.

توسعه یک دوربین تراهرتز عملی به قطعه‌ای نیاز دارد که امواج تراهرتزی را برای روشن کردن یک سوژه تولید کند و دیگری که آن‌ها را تشخیص دهد. در مورد دوم، آشکارساز‌های تراهرتز فعلی یا بسیار کند هستند، زیرا آن‌ها به تشخیص گرمای تولید شده توسط امواجی که به مواد برخورد می‌کنند متکی هستند و گرما به آرامی منتشر می‌شود، یا از آشکارساز‌های نوری استفاده می‌کنند که نسبتا سریع هستند، اما حساسیت بسیار کمی دارند. علاوه بر این، تا کنون، اکثر رویکرد‌ها به مجموعه‌ای کامل از آشکارساز‌های تراهرتز نیاز داشته اند که هر کدام یک پیکسل از تصویر را تولید می‌کنند.

شی می‌گوید: هرکدام بسیار گران هستند، بنابراین وقتی آن‌ها شروع به ساخت دوربین می‌کنند، هزینه آشکارساز‌ها واقعاً بسیار سریع افزایش می‌یابد.

در حالی که محققان می‌گویند با کار جدید خود مشکل تشخیص پالس تراهرتز را برطرف کرده اند، کمبود منابع خوب همچنان وجود دارد - و گروه‌های تحقیقاتی زیادی در سراسر جهان روی آن کار می‌کنند. نلسون می‌گوید منبع تراهرتز مورد استفاده در مطالعه جدید، آرایه‌ای بزرگ و دست و پا گیر از لیزر‌ها و دستگاه‌های نوری است که به راحتی نمی‌توان آن‌ها را برای کاربرد‌های عملی مقیاس‌بندی کرد، اما تکنیک‌های میکروالکترونیکی مبتنی بر منابع جدید به خوبی در دست توسعه هستند.

من فکر می‌کنم این واقعاً مرحله محدودکننده نرخ است: آیا می‌توانید سیگنال‌های [تراهرتز] را به روشی آسان که گران نیست ایجاد کنید؟

سانگ هیون اوه، یکی از نویسندگان مقاله و استاد مک نایت مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه مینه سوتا، اضافه می‌کند که در حالی که نسخه‌های فعلی دوربین‌های تراهرتز ده‌ها هزار دلار قیمت دارند، طبیعت ارزان دوربین‌های CMOS که برای این سیستم آن را گامی بزرگ به سمت ساخت یک دوربین تراهرتز عملی می‌کند. پتانسیل تجاری سازی باعث شد تا سامسونگ که تراشه‌های دوربین CMOS و دستگاه‌های کوانتوم دات را می‌سازد، در این تحقیق همکاری کند.

نلسون می‌گوید آشکارساز‌های سنتی برای چنین طول موج‌هایی در دمای هلیوم مایع (۴۵۲- درجه فارنهایت) کار می‌کنند، که برای تشخیص انرژی بسیار کم فوتون‌های تراهرتز از نویز پس زمینه ضروری است. این واقعیت که این دستگاه جدید می‌تواند تصاویری از این طول موج‌ها را با یک دوربین معمولی نور مرئی در دمای اتاق شناسایی و تولید کند، برای کسانی که در میدان تراهرتز کار می‌کنند غیرمنتظره بوده است. او می‌گوید: مردم می‌گویند، «چی؟» این چیزی غیرقابل شنیده است، و مردم بسیار شگفت‌زده می‌شوند.

محققان می‌گویند راه‌های زیادی برای بهبود بیشتر حساسیت دوربین جدید وجود دارد، از جمله کوچک سازی بیشتر اجزا و راه‌های محافظت از نقاط کوانتومی. آن‌ها می‌گویند حتی در سطوح تشخیص فعلی، دستگاه می‌تواند برخی از برنامه‌های کاربردی بالقوه داشته باشد.

از نظر پتانسیل تجاری سازی دستگاه جدید، نلسون می‌گوید که نقاط کوانتومی اکنون ارزان و به راحتی در دسترس هستند و در حال حاضر در محصولات مصرفی مانند صفحه نمایش تلویزیون استفاده می‌شوند. او می‌گوید ساخت واقعی دستگاه‌های دوربین پیچیده‌تر است، اما همچنین بر اساس فناوری میکروالکترونیک موجود است. در واقع، بر خلاف آشکارساز‌های تراهرتز موجود، کل تراشه دوربین تراهرتز را می‌توان با استفاده از سیستم‌های استاندارد تولید ریزتراشه امروزی ساخت، به این معنی که در نهایت تولید انبوه دستگاه‌ها باید امکان پذیر و نسبتاً ارزان باشد.

در حال حاضر، حتی با وجود اینکه سیستم دوربین هنوز تا تجاری سازی فاصله دارد، محققان MIT زمانی که به یک راه سریع برای تشخیص تشعشعات تراهرتز نیاز دارند، از دستگاه جدید آزمایشگاهی استفاده می‌کنند.

نلسون می‌گوید: ما صاحب یکی از آن دوربین‌های گران قیمت نیستیم، اما تعداد زیادی از این دستگاه‌های کوچک داریم. مردم فقط یکی از این‌ها را در پرتو می‌چسبانند و با چشم به تابش نور مرئی نگاه می‌کنند تا بدانند چه زمانی پرتو تراهرتز روشن است.... مردم آن را واقعاً مفید یافتند.

نلسون می‌گوید در حالی که امواج تراهرتز اصولاً می‌توانند برای شناسایی برخی پدیده‌های اخترفیزیکی مورد استفاده قرار گیرند، این منابع بسیار ضعیف هستند و دستگاه جدید قادر به گرفتن چنین سیگنال‌های ضعیفی نیست، اگرچه تیم در حال کار بر روی بهبود حساسیت آن است. او می‌گوید: نسل بعدی در کوچک‌تر کردن همه چیز است، بنابراین بسیار حساس‌تر خواهد بود.