El investigador de la Universidad de Florida Central, Debashis Chanda, profesor del Centro de Tecnología NanoScience, ha desarrollado una nueva técnica para detectar fotones, partículas elementales que van desde la luz visible hasta las frecuencias de radio y son fundamentales para la comunicación celular.

El avance podría conducir a tecnologías más precisas y eficientes en diversos campos, desde mejorar los sistemas de comunicación e imágenes médicas hasta mejorar la investigación científica e incluso potencialmente reforzar las medidas de seguridad.

La detección de fotones normalmente se ha basado en el cambio/modulación del voltaje o la amplitud de la corriente. Pero Chanda ha desarrollado una forma de detectar fotones modulando la frecuencia de un circuito oscilante, allanando el camino para la detección de fotones ultrasensibles.

El método de Chanda utiliza un material especial de cambio de fase (PCM) que cambia de forma cuando la luz lo toca, generando un ritmo eléctrico que se mantiene constante o una oscilación estable del circuito eléctrico. Cuando un fotón de luz incide sobre el material, cambia la velocidad del ritmo o cambia la frecuencia de oscilación. Cuánto cambia el ritmo depende de qué tan fuerte sea la luz, similar a cómo la voz de una persona cambia el sonido de la radio.

El nuevo desarrollo se publicó recientemente en Advanced Functional Materials.

La detección de infrarrojos de onda larga (LWIR) en el rango de longitud de onda de 8 a 12 micrómetros es extremadamente importante en astronomía, ciencia climática, análisis de materiales y seguridad. Sin embargo, la detección LWIR a temperatura ambiente ha sido un desafío desde hace mucho tiempo debido a la baja energía de los fotones.

Los detectores LWIR que están disponibles actualmente se pueden clasificar en términos generales en dos tipos:detectores refrigerados y no refrigerados, y ambos tienen sus propias limitaciones.

Si bien los detectores refrigerados ofrecen una excelente detectabilidad, requieren refrigeración criogénica, lo que los encarece y limita su utilidad práctica. Por otro lado, los detectores no refrigerados pueden funcionar a temperatura ambiente, pero sufren de una baja detectividad y una respuesta lenta debido al mayor ruido térmico intrínseco al funcionamiento a temperatura ambiente. Un detector/cámara infrarroja rápido, altamente sensible y de bajo costo continúa enfrentando desafíos científicos y tecnológicos.

Esta es la razón principal por la que las cámaras LWIR no se utilizan ampliamente, excepto en aplicaciones del Departamento de Defensa y específicas del espacio.

"A diferencia de todos los esquemas actuales de detección de fotones, donde la potencia de la luz cambia la amplitud del voltaje o la corriente (modulación de amplitud, AM), en el esquema propuesto, los impactos o incidentes de fotones modulan la frecuencia de un circuito oscilante y se detectan como un cambio de frecuencia, ofreciendo robustez inherente a los ruidos, que son AM por naturaleza", dice Chanda.

"Nuestro enfoque basado en FM produce una potencia equivalente al ruido a temperatura ambiente, un tiempo de respuesta y una detectividad excepcionales", afirma Chanda. "Este concepto general de detección de fotones basado en FM se puede implementar en cualquier rango espectral basándose en otros materiales de cambio de fase".

"Nuestros resultados presentan este novedoso detector basado en FM como una plataforma única para crear detectores de infrarrojos no refrigerados y sistemas de imágenes de bajo costo y alta eficiencia para diversas aplicaciones, como sensores remotos, imágenes térmicas y diagnósticos médicos", dice Chanda. "Creemos firmemente que el rendimiento se puede mejorar aún más con un embalaje adecuado a escala industrial".

Este concepto desarrollado por el grupo Chanda proporciona un cambio de paradigma hacia la detección LWIR no refrigerada y de alta sensibilidad, ya que el ruido limita la sensibilidad de detección. Este resultado promete un novedoso esquema de detección LWIR no refrigerado que es muy sensible, de bajo costo y que puede integrarse fácilmente con circuitos de lectura electrónicos, sin la necesidad de una hibridación compleja.

Más información: Tianyi Guo et al, Detección e imágenes infrarrojas de onda larga basadas en modulación de frecuencia a temperatura ambiente, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202309298

Información de la revista: Materiales funcionales avanzados

Proporcionado por la Universidad de Florida Central