Технология из лаборатории Aleman Lab, известная как «графеновый наномеханический болометр», использует новый метод и ультратонкий материал и может найти широкое применение во всем, от астрономии и медицины до пожаротушения.
«Этот инструмент является самым быстрым и чувствительным в своем классе», – сказал Бенджамин Алеман, профессор физики в Университете Орегона, член Центра оптических, молекулярных и квантовых наук UO и сотрудник Фила и Пенни. Knight Campus для усиления научного воздействия.
Устройство, состоящее из куска графена в форме батута, подвешенного над отверстием, предлагает альтернативу обычным электронным детекторам света, таким как те, что используются в камере смартфона. Вместо этого Aleman Lab использует механический метод, чтобы связать поглощенный свет с небольшими изменениями механической резонансной частоты графенового батута.
Принцип работы технологии похож на эффект удара по барабану в жаркий день. По мере того, как инструмент нагревается под палящим солнцем, мембрана пластика барабана расширяется, и его высота изменяется, издавая другой тон, чем при более низких температурах.
Волны света делают то же самое с механическим болометром. Когда свет попадает на барабанную пластину устройства, мембрана нагревается, расширяется, и высота колебаний изменяется.
Физики могут отслеживать эти изменения высоты тона, чтобы измерить, сколько света попадает в устройство.
«Это совершенно новый способ обнаружения света», – сказал Дэвид Миллер, докторант Aleman Lab. "Мы используем чисто механический метод, чтобы превратить свет в звук. Это дает возможность видеть гораздо более широкий диапазон света."
По словам Миллера, обычные детекторы очень надежны при считывании света высокой энергии, такого как видимый свет или рентгеновские лучи, но менее приспособлены к измерению более длинных волн в электромагнитном спектре, включая инфракрасные и радиоволны. Это механическое устройство заполняет эту пустоту и позволяет обнаруживать свет практически любой длины волны, что может быть особенно полезно при астрономических наблюдениях, тепловизионных и медицинских изображениях тела и наблюдении в глубоких инфракрасных лучах.
Команда сконструировала устройство, сначала протянув тонкий слой атомов над отверстием, вытравленным в куске кремния. Затем, используя технику сфокусированного ионного пучка, разработанную ранее в лаборатории, они разрезали лист, чтобы он напоминал батут.
Устройство составляет всего одну десятую ширины человеческого волоса, а материал, из которого изготовлен батут, еще меньше – один атом толщиной, что примерно в миллион раз тоньше, чем та же прядь волос.
"В этой системе используется графен, который представляет собой всего лишь один слой атомов. Он настолько мал, насколько это возможно."сказал Эндрю Блейки, еще один докторант в Aleman Lab и ведущий автор статьи, которая была опубликована в Nature Communications на этой неделе.
Графен, материал, открытый в 2004 году, является ключевым ингредиентом успеха технологии. Хотя это самый тонкий из возможных материалов, графен в 200 раз прочнее стали. Он получил Нобелевскую премию по физике 2010 года за свой потенциал революционизировать физику и технику.
По словам Блейки, механические свойства графена позволяют материалу невероятно быстро реагировать на изменения температуры, что позволяет ему измерять свет с одинаковой скоростью.
«Графен открывает заманчивую перспективу для сверхчувствительного и сверхбыстрого обнаружения света», – сказал Блейки. "Он также обладает непревзойденной способностью измерять практически любую длину волны света и может выдерживать гораздо более высокие температуры, чем обычные детекторы."
Команда физиков смогла использовать возможности графена с помощью механического подхода к измерению света. Материал плохо показал себя при использовании традиционных методов использования электрического сопротивления для измерения света – в основном из-за его электрического удельного сопротивления, зависящего от температуры, и его необходимо охладить до сверхнизких температур, чтобы его можно было использовать в обычных детекторах.
Когда исследователи поняли, что могут превратить свет в звук с помощью своего механического метода, они смогли раскрыть перспективы графена и создать сверхбыстрое, сверхчувствительное устройство, которое превосходно работает при комнатной температуре и намного выше нее.
По словам Блейки, его способность работать в таком широком диапазоне температур является одним из самых выгодных качеств устройства, когда дело доходит до измерения освещенности. Он может работать при комнатной температуре, что обеспечивает критическую портативность, и может работать при высоких температурах, что является преимуществом, которое традиционные световые извещатели не предлагают.
Многие детекторы не работают из-за «эффекта солнечного ожога», когда начинают выходить из строя из-за скачка температуры.
«Графен – это термостойкий материал, который может выдерживать температуры более 2000 градусов по Цельсию, так что наш детектор, в отличие от электронных детекторов, может делать снимки на горячих планетах, таких как Венера или Меркурий», – сказал Блейки.
Его универсальность и сверхчувствительность потенциально делают наномеханический болометр полезным инструментом во многих областях науки, медицины, промышленного производства и астрономии. У Aleman Lab есть патент на технологию с U.S.
Бюро по патентам и товарным знакам.
«Мы надеемся, что это устройство поможет ученым разгадать загадки нашего Солнца и других звезд, улучшить медицинскую диагностику с помощью более безопасных тепловых рентгеновских изображений и поможет пожарным лучше видеть при пожарах, чтобы спасти больше жизней», – сказал Алеман.
Национальный научный фонд поддержал исследование.