Perceber o potencial dos carros autônomos depende da tecnologia que pode detectar e reagir rapidamente a obstáculos e outros veículos em tempo real. Engenheiros da Universidade do Texas em Austin e da Universidade da Virgínia criaram um novo dispositivo de detecção de luz inédito que pode amplificar com mais precisão os sinais fracos refletidos em objetos distantes do que a tecnologia atual permite. dando aos veículos autônomos uma imagem mais completa do que está acontecendo na estrada.

O novo dispositivo é mais sensível do que outros detectores de luz, pois também elimina inconsistência, ou barulho, associado ao processo de detecção. Esse ruído pode fazer com que os sistemas percam sinais e coloque em risco os passageiros de veículos autônomos.

"Veículos autônomos enviam sinais de laser que ricocheteiam em objetos para dizer a que distância você está. Não retorna muita luz, então, se o seu detector está emitindo mais ruído do que o sinal que chega, você não recebe nada, "disse Joe Campbell, professor de engenharia elétrica e de computação na Escola de Engenharia da Universidade da Virgínia.

Pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando em dispositivos, conhecido como fotodiodos de avalanche, para atender a essas necessidades. Mas o que faz esse novo dispositivo se destacar é seu alinhamento em forma de escada. Inclui etapas físicas na energia que os elétrons rolam, multiplicando-se ao longo do caminho e criando uma corrente elétrica mais forte para detecção de luz conforme eles avançam.

Em 2015, os pesquisadores criaram um dispositivo de escada de passo único. Nesta nova descoberta, detalhado em Nature Photonics , eles mostraram, pela primeira vez, um fotodiodo de avalanche em escada com várias etapas.

"O elétron é como uma bola de gude rolando por um lance de escadas, "disse Seth Bank, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola Cockrell que liderou a pesquisa com Campbell, um ex-professor da Cockrell School de 1989 a 2006 e ex-aluno da UT Austin (B.S., Física, 1969). "Cada vez que a bola de gude rola de um degrau, ele cai e bate no próximo. No nosso caso, o elétron faz a mesma coisa, mas cada colisão libera energia suficiente para realmente liberar outro elétron. Podemos começar com um elétron, mas a queda de cada etapa dobra o número de elétrons:1, 2, 4, 8, e assim por diante."

O novo dispositivo de tamanho de pixel é ideal para receptores de detecção de luz e alcance (lidar), que requerem sensores de alta resolução que detectam sinais ópticos refletidos de objetos distantes. Lidar é uma parte importante da tecnologia de carros autônomos, e também tem aplicações em robótica, vigilância e mapeamento de terreno.

Adicionar etapas aumenta a sensibilidade e consistência do dispositivo. E a multiplicação consistente de elétrons com cada etapa torna os sinais elétricos do detector mais confiáveis, mesmo em condições de pouca luz.

"Quanto menos aleatória for a multiplicação, mais fracos os sinais que você pode captar do fundo, "disse o Banco." Por exemplo, que poderia permitir que você olhasse para distâncias maiores com um sistema de radar a laser para veículos autônomos. "

Este tipo de capacidade de detecção existe há décadas, mas as barreiras tecnológicas impediram seu avanço. Tubos fotomultiplicadores por muito tempo representaram o "Santo Graal" desta forma de detecção, Banco disse, mas essa tecnologia existe há mais de 50 anos e usa componentes de iluminação e tubos de vácuo desatualizados. Nos anos 1980, o inventor Federico Capasso foi o primeiro a conceber a tecnologia de fotodiodo de avalanche que os pesquisadores vêm estudando. Mas as ferramentas e técnicas para torná-lo realidade não estavam suficientemente longe.

A ciência por trás dessa descoberta vem em uma nova maneira de cultivar materiais, Banco disse. Em vez de cultivar materiais com átomos distribuídos aleatoriamente, eles criaram ligas em camadas compostas de compostos binários - aqueles feitos de dois elementos - empilhados um sobre o outro.

"O que isso permite é mudar o cenário de energia do elétron de uma forma muito simples para criar a estrutura que Capasso imaginou no início dos anos 80, mas, infelizmente, simplesmente não havia a capacidade de sintetizar cristais que tivessem todas as propriedades necessárias, "Banco disse.

Outra peça importante desse dispositivo é que ele pode operar em temperatura ambiente. Hoje, os detectores de luz mais sensíveis precisam ser mantidos em temperaturas centenas de graus abaixo de zero, tornando-os muito caros e pouco práticos para aplicativos como lidar.

A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARO) e pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA). Os pesquisadores têm financiamento através da ARO e DARPA para continuar refinando seu processo para adicionar ainda mais etapas aos dispositivos. E eles estão trabalhando com uma empresa de semicondutores para comercializar a tecnologia.

Os engenheiros também planejam casar seu dispositivo de escada de vários degraus com um fotodiodo de avalanche que eles construíram no ano passado que é sensível à luz infravermelha próxima, que abre novas aplicações, como comunicações de fibra óptica e imagens térmicas.

"Isso deve nos dar o melhor dos dois mundos:resposta a uma gama mais ampla de cores e maior sensibilidade a sinais fracos devido à menor amplificação de ruído que vem naturalmente da arquitetura de escada, "Banco disse.