Detectores de luz inovadores registram raios em apenas 125 picosegundos

O sensor ultrafino pode capturar luz em todo o espectro eletromagnético. Funciona à temperatura ambiente, não requer uma fonte de energia externa e pode ser integrado diretamente em sistemas em chip. A tecnologia pode eventualmente possibilitar uma nova geração de câmeras multiespectrais com aplicações em áreas como detecção de câncer de pele, monitoramento de segurança alimentar e agricultura em grande escala.

Os achados foram relatados na revista Advanced Functional Materials.

Por que os Fotodetetores Tradicionais Têm Limites

A maioria das câmeras digitais depende de fotodetetores semicondutores que produzem uma corrente elétrica quando atingidos por luz visível. Os computadores então convertem esse sinal nas imagens que vemos.

No entanto, os semicondutores podem detectar apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético. Nesse sentido, eles são semelhantes ao olho humano, que também é limitado às comprimentos de onda visíveis da luz.

Para detectar luz fora desse intervalo, os pesquisadores costumam recorrer a detectores piroelétricos. Esses dispositivos produzem um sinal elétrico quando aquecem após absorver a luz que chega. Mas gerar calor suficiente a partir de comprimentos de onda mais difíceis de capturar tradicionalmente exigiu materiais absorvedores grossos ou iluminação muito intensa, tornando tais detectores volumosos e lentos.

“Os detectores piroelétricos comerciais não são muito responsivos, então precisam de uma luz muito brilhante ou absorvedores muito grossos para funcionar, o que naturalmente os torna lentos, porque o calor não se move tão rápido”, disse Maiken Mikkelsen, professora de engenharia elétrica e de computadores da Duke. “Nossa abordagem integra de forma inteligente absorvedores quase perfeitos e piroelétricos super-finos para alcançar um tempo de resposta de 125 picosegundos, o que é uma enorme melhoria para a área.”

Design de Metasuperfície Captura Luz de Forma Eficiente

O dispositivo desenvolvido pelo laboratório de Mikkelsen depende de uma estrutura especialmente projetada conhecida como metasuperfície. Consiste em nanocubos de prata dispostos de forma precisa em uma camada transparente localizada a apenas 10 nanômetros acima de uma fina folha de ouro.

Quando a luz atinge um nanocubo, excita elétrons na prata. Essa interação captura a energia da luz através de um processo chamado plasmonica. A frequência exata da luz capturada depende do tamanho dos nanocubos e do espaçamento entre eles.

Como essa captura de luz é extremamente eficiente, apenas uma camada muito fina de material piroelétrico é necessária sob a estrutura para gerar um sinal elétrico. A equipe de Mikkelsen demonstrou pela primeira vez o conceito em 2019, embora a configuração original não tenha sido projetada para medir a rapidez com que o dispositivo poderia responder.

“Os fotodetetores térmicos costumam ser lentos, então isso foi surpreendente para toda a comunidade”, disse Mikkelsen. “Ficamos surpresos ao ver que parecia estar funcionando em escalas de tempo semelhantes às dos fotodetetores de silício.”

Otimização do Dispositivo para Velocidade

Nos últimos anos, Eunso Shin, um estudante de doutorado no laboratório de Mikkelsen, trabalhou para refinar o projeto enquanto desenvolvia um método para medir a velocidade do dispositivo sem depender de equipamentos extremamente caros.

Na versão mais recente do detector, a metasuperfície que absorve luz foi redesenhada em uma forma circular, em vez de retangular. Essa configuração aumenta a área da superfície exposta à luz que chega, ao mesmo tempo em que reduz a distância que os sinais elétricos devem percorrer. Os pesquisadores também incorporaram camadas piroelétricas ainda mais finas fornecidas por colaboradores e melhoraram o circuito eletrônico usado para capturar e transmitir os sinais.

Para medir o desempenho do detector, Shin concebeu um arranjo experimental usando dois lasers de feedback distribuído. Os lasers intensificaram-se à medida que suas frequências se aproximavam da velocidade de operação do dispositivo, permitindo que os pesquisadores determinassem quão rapidamente o detector poderia responder.

As medidas mostraram que o fotodetector térmico pode operar a velocidades de até 2,8 GHz. A essa taxa, a luz que chega produz um sinal elétrico em apenas 125 picosegundos.

“Fotodetores piroelétricos normalmente operam na faixa de nano a microssegundos, então isso é centenas ou milhares de vezes mais rápido”, disse Shin. “Esses resultados são realmente empolgantes, mas ainda estamos trabalhando para torná-los ainda mais rápidos, enquanto tentamos descobrir o limite cinético dos fotodetores piroelétricos.”

Futuras Aplicações: Da Agricultura à Medicina

Os pesquisadores acreditam que o dispositivo pode se tornar ainda mais rápido ao colocar o material piroelétrico e os componentes eletrônicos de leitura na estreita lacuna entre os nanocubos e a camada de ouro. Eles também estão explorando maneiras de expandir as capacidades do sistema, incluindo designs que utilizam múltiplas metasuperfícies para detectar várias comprimentos de onda de luz e sua polaridade ao mesmo tempo.

À medida que o desenvolvimento avança e os desafios de fabricação são resolvidos, a tecnologia pode abrir as portas para novos sistemas de imagem poderosos. Como os detectores não precisam de energia externa, eles podem ser implantados em drones, satélites e espaçonaves.

Esses sistemas poderiam apoiar a agricultura de precisão, revelando em tempo real quais culturas precisam de mais água ou fertilizante.

“Quando você passa a ter a capacidade de detectar muitas frequências ao mesmo tempo, abre a porta para tantas coisas diferentes”, disse Mikkelsen. “Diagnóstico de câncer, segurança alimentar, veículos de sensoriamento remoto. Essas ainda estão bastante distantes, mas essa é a direção em que estamos indo.”

Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0312) e pela Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF8804).