Vista capa por capa del nuevo detector de infrarrojos de metamaterial, con vistas simuladas de su distribución de temperatura (arriba a la derecha), campo eléctrico (abajo a la izquierda), y cómo absorbe energía (abajo a la derecha). Crédito:Willie Padilla, Universidad de Duke
Los científicos e ingenieros de materiales han desarrollado un sensor que es rápido, lo suficientemente sensible y eficiente como para detectar longitudes de onda específicas de energía electromagnética mientras está en movimiento. La tecnología podría escanear áreas activamente en busca de fugas de metano o gas natural, controle la salud de vastos campos de cultivo o clasifique rápidamente los plásticos para reciclarlos.
Trabajando en estrecha colaboración con la empresa de materiales optoelectrónicos SRICO, ingenieros de la Universidad de Duke han construido un prototipo de detector que supera a la competencia existente en tamaño, peso, poder, velocidad y, Más importante, costo.
La nueva tecnología se basa en metamateriales, estructuras diseñadas a partir de células repetidas cuidadosamente diseñadas que pueden interactuar con ondas electromagnéticas de formas no naturales. Al combinar patrones de metal aparentemente simples con rebanadas extremadamente finas de cristales perfectos, los ingenieros crearon un dispositivo aerodinámico capaz de detectar firmas infrarrojas invisibles emitidas por varios tipos de gases, plásticos y otras fuentes.
Los resultados aparecieron el 20 de febrero, 2017, en el diario Optica .
"El beneficio de utilizar metamateriales es que los diferentes componentes necesarios en un detector se pueden combinar en una sola función, "dijo Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Esa simplificación le otorga mucha eficiencia".
En un detector térmico típico, Las ondas de luz infrarroja son absorbidas y convertidas en calor por una sustancia negra. esencialmente hollín. Ese calor se conduce a un componente separado que crea una señal eléctrica que luego se lee. Esta configuración crea limitaciones de velocidad, y solo mediante la superposición de filtros o un complejo sistema de espejos móviles, ¿Se pueden distinguir longitudes de onda específicas?
Un prototipo de detector de infrarrojos fabricado con la nueva tecnología de metamateriales de SRICO. Crédito:SRICO
El nuevo sensor de metamaterial evita estos dos problemas.
Cada pequeña sección del detector consiste en un patrón de oro colocado sobre un cristal de niobato de litio. Este cristal es piroeléctrico, lo que significa que cuando hace calor, crea una carga eléctrica. Como cortar un trozo de queso de un bloque, Los ingenieros de SRICO utilizan un haz de iones para pelar una rodaja de cristal de solo 600 nanómetros de grosor. Esta técnica elimina posibles defectos en la estructura cristalina, lo que reduce el ruido de fondo. También crea un corte más delgado que otros enfoques, permitiendo que el cristal se caliente más rápidamente.
Ordinariamente, este cristal es tan delgado que la luz simplemente viajaría sin ser absorbida. Sin embargo, Los investigadores adaptan la capa superior de oro en un patrón que se combina con las propiedades del cristal para hacer que el píxel absorba solo un rango específico de frecuencias electromagnéticas. eliminando la necesidad de filtros separados. Cuando el cristal se calienta y genera una carga eléctrica, el oro luego hace una doble función al llevar la señal al amplificador del detector, eliminando la necesidad de cables eléctricos separados.
"Estos diseños permiten que esta tecnología sea de 10 a 100 veces más rápida que los detectores existentes porque el calor es creado directamente por el cristal", dijo Jon Suen. un asociado postdoctoral en el laboratorio de Padilla. "Esto nos permite crear dispositivos con menos píxeles y también presenta la capacidad de barrer el detector a través de un área o capturar imágenes en movimiento".
"Este es un matrimonio tan bueno de tecnologías, "dijo Vincent Stenger, ingeniero de SRICO y coautor del artículo. "Trabajar con Duke ha sido una de las situaciones más ideales que he tenido con la transferencia de tecnología. Podemos enfocarnos en hacer el material y ellos pueden enfocarse en la estructura del dispositivo. Ambas partes han estado contribuyendo con un producto claro en mente que nosotros ' ahora estamos trabajando en marketing ".
Los investigadores pueden fabricar el dispositivo para detectar cualquier rango específico de frecuencias electromagnéticas simplemente rediseñando los detalles del patrón dorado.
Stenger y sus colegas de SRICO ya han creado un prototipo de un solo píxel como prueba de concepto. Actualmente están trabajando para encontrar financiación de inversores de la industria o posiblemente una subvención gubernamental de seguimiento.
Los investigadores son optimistas ya que su dispositivo tiene muchas ventajas sobre las tecnologías existentes. Su tiempo de detección rápido le permitiría escanear rápidamente un área mientras busca fugas de metano o gas natural. La simplicidad de su diseño lo hace lo suficientemente ligero como para llevarlo a los campos y evaluar la salud de los cultivos agrícolas.
"Incluso podría convertir esto en un instrumento de laboratorio de bajo costo para la espectroscopia de muestras médicas, ", dijo Padilla." No estoy seguro de cuál sería el precio final, pero sería mucho menos que los $ 300, 000 instrumento que tenemos actualmente en nuestro laboratorio ".
