O pesquisador da Universidade da Flórida Central, Debashis Chanda, professor do NanoScience Technology Center, desenvolveu uma nova técnica para detectar fótons – partículas elementares que vão da luz visível às frequências de rádio e são fundamentais para transportar a comunicação celular.



O avanço poderá levar a tecnologias mais precisas e eficientes em vários domínios, desde a melhoria dos sistemas de imagiologia e comunicação médica até ao reforço da investigação científica e até mesmo ao reforço potencial das medidas de segurança.

A detecção de fótons normalmente depende de mudança/modulação de tensão ou amplitude de corrente. Mas Chanda desenvolveu uma maneira de detectar fótons modulando a frequência de um circuito oscilante, abrindo caminho para a detecção ultrassensível de fótons.

O método de Chanda usa um material especial de mudança de fase (PCM) que muda de forma quando a luz o toca, criando um ritmo elétrico que permanece constante ou uma oscilação estável do circuito elétrico. Quando um fóton de luz atinge o material, ele muda a velocidade do ritmo ou muda a frequência de oscilação. O quanto o ritmo muda depende de quão forte é a luz, semelhante a como a voz de uma pessoa muda o som no rádio.

O novo desenvolvimento foi publicado recentemente em Advanced Functional Materials.

A detecção de infravermelho de onda longa (LWIR) na faixa de comprimento de onda de 8 a 12 micrômetros é extremamente importante em astronomia, ciência climática, análise de materiais e segurança. No entanto, a detecção de LWIR à temperatura ambiente tem sido um desafio de longa data devido à baixa energia dos fótons.

Os detectores LWIR disponíveis atualmente podem ser amplamente categorizados em dois tipos:detectores resfriados e não resfriados, ambos com suas próprias limitações.

Embora os detectores resfriados ofereçam excelente detectividade, eles exigem resfriamento criogênico, o que os torna caros e limitam sua utilidade prática. Por outro lado, os detectores não resfriados podem operar em temperatura ambiente, mas sofrem de baixa detectividade e resposta lenta devido ao maior ruído térmico intrínseco à operação em temperatura ambiente. Um detector/câmera infravermelho rápido, de baixo custo e altamente sensível continua a enfrentar desafios científicos e tecnológicos.

Esta é a principal razão pela qual as câmeras LWIR não são amplamente utilizadas, exceto no Departamento de Defesa e em aplicações específicas do espaço.

"Ao contrário de todos os esquemas atuais de detecção de fótons, onde a potência da luz altera a amplitude da tensão ou corrente (modulação de amplitude - AM), no esquema proposto, os acertos, ou incidentes de fótons, modulam a frequência de um circuito oscilante e são detectados como uma mudança de frequência, oferecendo robustez inerente aos ruídos, que são de natureza AM", diz Chanda.

“Nossa abordagem baseada em FM produz excelente potência, tempo de resposta e detectividade equivalentes a ruído à temperatura ambiente”, diz Chanda. "Este conceito geral de detecção de fótons baseado em FM pode ser implementado em qualquer faixa espectral com base em outros materiais de mudança de fase."

"Nossos resultados apresentam este novo detector baseado em FM como uma plataforma única para a criação de detectores infravermelhos não resfriados de baixo custo e alta eficiência e sistemas de imagem para diversas aplicações, como sensoriamento remoto, imagens térmicas e diagnósticos médicos", diz Chanda. "Acreditamos firmemente que o desempenho pode ser melhorado ainda mais com embalagens adequadas em escala industrial."

Este conceito desenvolvido pelo grupo Chanda fornece uma mudança de paradigma para a detecção LWIR não resfriada e de alta sensibilidade, já que o ruído limita a sensibilidade da detecção. Este resultado promete um novo esquema de detecção de LWIR não resfriado que é altamente sensível, de baixo custo e pode ser facilmente integrado a circuitos de leitura eletrônica, sem a necessidade de hibridização complexa.

Mais informações: Tianyi Guo et al, Detecção e imagem infravermelha de ondas longas baseadas em modulação de frequência em temperatura ambiente, Materiais funcionais avançados (2023). DOI:10.1002/adfm.202309298
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

Fornecido pela Universidade da Flórida Central