آشکارساز کوانتومی جدید حساسیت امواج تراهرتز را ۲۰ برابر کرد

پژوهشگران با توسعه یک آشکارساز کوانتومی مبتنی بر متاسطح (Metasurface) موفق شده‌اند حساسیت تشخیص امواج تراهرتز را تا ۲۰ برابر افزایش دهند؛ دستاوردی که می‌تواند راه را برای کاربرد‌های گسترده‌تر فناوری تراهرتز در حوزه‌هایی مانند ارتباطات بی‌سیم، تصویربرداری پزشکی، نجوم و کنترل کیفیت صنعتی هموار کند.

به گزارش ساینس دیلی، آشکارسازی نور و تابش در بخش‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی از اهمیت بالایی برخوردار است، اما امواج تراهرتز که در محدوده میان امواج مایکروویو و نور فروسرخ قرار دارند همچنان یکی از دشوارترین بخش‌های این طیف برای اندازه‌گیری محسوب می‌شوند. آشکارساز‌های فعلی این امواج معمولا با محدودیت‌هایی مانند حساسیت پایین، سرعت کم، نیاز به تجهیزات حجیم و گران‌قیمت یا سامانه‌های سرمایشی بسیار پیشرفته مواجه هستند که استفاده عملی از آنها را دشوار می‌کند.

اکنون گروهی از پژوهشگران با ترکیب اصول فیزیک کوانتومی و طراحی پیشرفته متاسطح‌ها دستگاهی فشرده و کارآمد ساخته‌اند که توانایی جذب و اندازه‌گیری تابش تراهرتز را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. نتایج این پژوهش در نشریه تخصصی Advanced Photonics منتشر شده است.

بهره‌گیری از اثر فوتوالکتریک درون‌صفحه‌ای

این آشکارساز جدید بر پایه پدیده‌ای موسوم به اثر فوتوالکتریک درون‌صفحه‌ای (In-Plane Photoelectric Effect) عمل می‌کند. در این فرآیند کوانتومی فوتون‌های تراهرتز انرژی خود را به الکترون‌های محبوس در یک گاز الکترونی دوبعدی منتقل می‌کنند. الکترون‌های برانگیخته‌شده سپس از یک مانع پتانسیل طراحی‌شده عبور کرده و جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌کنند.

برخلاف آشکارساز‌های فوتوالکتریک متداول این مکانیزم به حداقل انرژی آستانه برای فوتون‌ها نیاز ندارد. همچنین به دلیل اینکه فرآیند به طور کامل در صفحه ماده رخ می‌دهد بسیاری از محدودیت‌های بهره‌وری موجود در آشکارساز‌های سنتی را نیز برطرف می‌کند.

با وجود عملکرد امیدوارکننده نمونه‌های اولیه مبتنی بر این فناوری آنها تنها بخش کوچکی از تابش ورودی را جذب می‌کردند، زیرا از ساختار‌های تک‌آنتنی استفاده می‌کردند.

متاسطح؛ راهکاری برای جمع‌آوری موثرتر امواج

برای رفع این محدودیت محققان طراحی جدید خود را بر پایه یک متاسطح مهندسی‌شده بنا کردند. متاسطح‌ها ساختار‌های الگوگذاری‌شده‌ای هستند که می‌توانند انرژی الکترومغناطیسی را در نواحی بسیار کوچک‌تر از طول موج متمرکز کنند.

در این طراحی یک الگوی تکرارشونده شبیه به آجرچینی (Brickwork Pattern) امواج تراهرتز را جمع‌آوری کرده و آنها را به شکاف‌های بسیار باریکی هدایت می‌کند؛ شکاف‌هایی که فرآیند آشکارسازی در آنها انجام می‌شود.

هر یک از این شکاف‌های میکروسکوپی به عنوان یک آشکارساز مستقل عمل می‌کند. با توزیع تعداد زیادی از این واحد‌ها روی سطح متاسطح و اتصال الکترونیکی آنها به یکدیگر پژوهشگران توانستند خروجی همه آشکارساز‌ها را ترکیب کرده و سیگنال بسیار قوی‌تری تولید کنند.

این رویکرد علاوه بر افزایش چشمگیر حساسیت نیاز به آرایه‌های پیچیده آشکارساز‌ها یا قطعات اپتیکی خارجی را نیز از بین می‌برد.

طراحی بهینه برای بیشترین بازده

پژوهشگران برای دستیابی به عملکرد مطلوب از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای استفاده کردند تا پارامتر‌های کلیدی دستگاه از جمله فاصله میان ساختار‌های تکرارشونده و ابعاد شکاف‌های آشکارسازی را بهینه کنند.

این ابعاد تعیین می‌کنند که میدان الکتریکی تا چه اندازه در ساختار متمرکز شود و در نتیجه چه میزان جریان فوتوالکتریکی تولید گردد. طراحی نهایی به گونه‌ای تنظیم شد که میان تقویت میدان الکتریکی و عرض کانال انتقال الکترون‌ها تعادل برقرار شود و بیشترین قدرت سیگنال حاصل شود.

سازگار با فناوری‌های رایج نیمه‌رسانا

ساخت این آشکارساز بر پایه یک ساختار نیمه‌رسانا شامل گاز الکترونی با تحرک بالا انجام شده است. فرآیند تولید آن شباهت زیادی به روش‌های رایج ساخت ترانزیستور‌های اثر میدان (FET) دارد و همین موضوع می‌تواند ادغام آن با مدار‌های الکترونیکی موجود را در آینده آسان‌تر کند.

از سوی دیگر به دلیل اینکه خود متاسطح وظیفه متمرکزسازی تابش ورودی را بر عهده دارد دیگر نیازی به اجزای اپتیکی اضافی مانند لنز‌های سیلیکونی نیست مزیتی که ساخت و تولید انبوه این فناوری را ساده‌تر می‌کند.
عملکرد ۲۰ برابر بهتر از نسل‌های قبلی

آزمایش‌های انجام‌شده روی این آشکارساز در دمای ۱۰ کلوین و در فرکانسی نزدیک به ۱.۹ تراهرتز نشان داد که دستگاه قادر است سیگنال الکتریکی واضحی متناسب با روشن و خاموش شدن تابش ورودی تولید کند.

بر اساس اندازه‌گیری‌ها، پاسخ‌دهی دستگاه به ۲.۷ آمپر بر وات رسید و بازده کوانتومی خارجی آن نیز در فرکانس ۱.۹ تراهرتز حدود ۲.۱ درصد ثبت شد.

به گفته پژوهشگران این نتایج نشان‌دهنده بهبودی حدود ۲۰ برابری نسبت به آشکارساز‌های قبلی مبتنی بر فناوری PETS است. بخش عمده این پیشرفت به توانایی متاسطح در جذب مقدار بیشتری از تابش ورودی و هدایت آن به نواحی فعال آشکارسازی مربوط می‌شود.

یکی دیگر از مزایای مهم این سامانه عملکرد آن بدون نیاز به ولتاژ بایاس است. در نتیجه جریان تاریک (Dark Current) تولید نمی‌شود و نویز الکتریکی دستگاه به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

قابلیت توسعه به سایر فرکانس‌ها

محققان تاکید می‌کنند که طراحی هندسی این فناوری قابلیت مقیاس‌پذیری دارد و می‌توان از همین مفهوم برای ساخت آشکارساز‌هایی در سایر بخش‌های طیف الکترومغناطیسی از جمله امواج مایکروویو و فروسرخ میانی نیز استفاده کرد. علاوه بر این انتظار می‌رود این فناوری در آینده در دما‌های بالاتری نسبت به بسیاری از آشکارساز‌های رقیب نیز قابل استفاده باشد. نمونه‌های مشابه PETS پیش‌تر توانسته‌اند در دما‌هایی کار کنند که با سامانه‌های سرمایشی فشرده قابل دستیابی است و نیازی به هلیوم مایع ندارند.

به باور پژوهشگران، این پروژه نخستین نمونه موفق از یک آشکارساز فوتونی متاسطح کوانتومی مبتنی بر سامانه الکترونی دوبعدی محسوب می‌شود. ترکیب جمع‌آوری موثر تابش با مکانیزم آشکارسازی کوانتومی حساس می‌تواند یکی از چالش‌های دیرینه فناوری تراهرتز را برطرف کند.

این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز توسعه نسل جدیدی از سامانه‌های ارتباطی فوق‌سریع، تجهیزات تصویربرداری پزشکی پیشرفته، ابزار‌های نجومی، فناوری‌های زیست‌پزشکی و سامانه‌های کنترل کیفیت صنعتی شود و کاربرد‌های عملی امواج تراهرتز را به شکل قابل توجهی گسترش دهد.