ड्यूक विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने अब तक का सबसे तेज पायरोइलेक्ट्रिक फोटोडिटेक्टर बनाया

विज्ञान { गहरी खोज }: क नया अतिपतला फोटोडिटेक्टर मात्र 125 पिकोसेकंड में पूरे स्पेक्ट्रम में प्रकाश को कैप्चर करता है, जिससे तेज और स्मार्ट इमेजिंग तकनीकों के लिए रास्ता खुलता है।ड्यूक विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने अब तक का सबसे तेज पायरोइलेक्ट्रिक फोटोडिटेक्टर बनाया है, एक ऐसा उपकरण जो प्रकाश द्वारा अवशोषित होने पर उत्पन्न गर्मी को पकड़कर उसे महसूस करता है।यह अतिसूक्ष्म सेंसर पूरे विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में प्रकाश का पता लगा सकता है। यह कमरे के तापमान पर काम करता है, इसे बाहरी बिजली की आवश्यकता नहीं होती है, और इसे सीधे ऑन-चिप सिस्टम में एकीकृत किया जा सकता है। यह तकनीक त्वचा कैंसर का पता लगाने, खाद्य सुरक्षा निरीक्षण और बड़े पैमाने पर कृषि में उपयोग होने वाले बहु-स्पेक्ट्रल कैमरों की एक नई पीढ़ी को जन्म दे सकती है।ये निष्कर्ष एडवांस्ड फंक्शनल मैटेरियल्स में प्रकाशित हुए थे ।

परंपरागत प्रकाश पहचान की सीमाएँ

अधिकांश आधुनिक डिजिटल कैमरे सेमीकंडक्टर फोटोडिटेक्टरों पर निर्भर करते हैं, जो दृश्य प्रकाश पड़ने पर विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं। फिर उस सिग्नल को संसाधित करके छवि बनाई जाती है।हालांकि, अर्धचालक विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के एक संकीर्ण हिस्से तक ही सीमित होते हैं, ठीक उसी तरह जैसे मानव आँख। उस सीमा से परे तरंग दैर्ध्य का पता लगाने के लिए, शोधकर्ता अक्सर पायरोइलेक्ट्रिक डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं, जो प्रकाश को अवशोषित करने के बाद गर्म होने पर विद्युत संकेत उत्पन्न करते हैं।पारंपरिक रूप से, ये थर्मल डिटेक्टर अर्धचालक-आधारित प्रणालियों की तुलना में कम प्रभावी रहे हैं। विशिष्ट तरंगदैर्ध्यों को पकड़ने के लिए पर्याप्त ऊष्मा उत्पन्न करना आवश्यक होता है, जिसके लिए आमतौर पर मोटी सामग्री या बहुत तेज प्रकाश की आवश्यकता होती है। परिणामस्वरूप, ये उपकरण भारी और धीमे होते हैं।ड्यूक विश्वविद्यालय में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग के प्रोफेसर माइकन मिकेलसेन ने कहा, “व्यावसायिक पायरोइलेक्ट्रिक डिटेक्टर बहुत प्रतिक्रियाशील नहीं होते हैं, इसलिए उन्हें काम करने के लिए बहुत तेज रोशनी या बहुत मोटे अवशोषक की आवश्यकता होती है, जिससे स्वाभाविक रूप से वे धीमे हो जाते हैं क्योंकि ऊष्मा इतनी तेजी से नहीं फैलती है।” “हमारी तकनीक लगभग पूर्ण अवशोषक और अति-पतले पायरोइलेक्ट्रिक को चतुराई से एकीकृत करती है, जिससे 125 पिकोसेकंड का प्रतिक्रिया समय प्राप्त होता है, जो इस क्षेत्र के लिए एक बहुत बड़ा सुधार है।”

मेटासर्फेस डिजाइन और लाइट ट्रैपिंग

टीम का समाधान मेटासर्फेस नामक संरचना पर आधारित है। इसमें सोने की पतली चादर के ठीक 10 नैनोमीटर ऊपर स्थित एक पारदर्शी परत पर सावधानीपूर्वक व्यवस्थित चांदी के नैनोक्यूब्स होते हैं।जब प्रकाश इन नैनोक्यूब्स में से किसी एक पर पड़ता है, तो यह चांदी में मौजूद इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है। यह परस्पर क्रिया प्लास्मोनिक्स नामक प्रक्रिया के माध्यम से प्रकाश की ऊर्जा को ग्रहण कर लेती है। ग्रहण की जाने वाली विशिष्ट तरंगदैर्ध्य नैनोक्यूब्स के आकार और उनके बीच की दूरी पर निर्भर करती है।प्रकाश को फंसाने की यह प्रक्रिया अत्यंत कुशल होने के कारण, विद्युत संकेत उत्पन्न करने के लिए सतह के नीचे केवल पायरोइलेक्ट्रिक पदार्थ की एक बहुत पतली परत की आवश्यकता होती है। समूह ने सर्वप्रथम 2019 में इस अवधारणा का प्रदर्शन किया था, हालांकि उस समय उन्होंने इसकी गति को मापा नहीं था।”थर्मल फोटोडिटेक्टर धीमे काम करते हैं, इसलिए यह पूरी कम्युनिटी के लिए चौंकाने वाला था,” मिकेलसन ने कहा। “हमें यह देखकर आश्चर्य हुआ कि यह सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरों के समान समय-सीमा पर काम कर रहा था।”

तेज़ डिज़ाइन और मापन में अभूतपूर्व सफलता

हाल के वर्षों में, मिकेलसन की प्रयोगशाला में पीएचडी छात्रा यूनसो शिन ने इस उपकरण को परिष्कृत करने और महंगे उपकरणों पर निर्भर किए बिना इसकी गति को मापने का एक लागत प्रभावी तरीका विकसित करने के लिए काम किया है।अपडेट किए गए डिज़ाइन में आयताकार के स्थान पर गोलाकार मेटासर्फेस का उपयोग किया गया है, जिससे आने वाले प्रकाश के लिए एक्सपोज़र बढ़ जाता है और सिग्नल द्वारा तय की जाने वाली दूरी कम हो जाती है। टीम ने सहयोगियों से प्राप्त पतली पायरोइलेक्ट्रिक परतों को भी शामिल किया और सिग्नल को पढ़ने और प्रसारित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सर्किट में सुधार किया।प्रदर्शन को मापने के लिए, शिन ने दो डिस्ट्रीब्यूटेड फीडबैक लेज़रों का उपयोग करके एक प्रायोगिक सेटअप बनाया। ये लेज़र तब तीव्र हो जाते थे जब उनकी आवृत्तियाँ डिटेक्टर की परिचालन गति के करीब पहुँचती थीं, जिससे टीम यह निर्धारित कर पाती थी कि उपकरण कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया करता है।परिणामों से पता चला कि फोटोडिटेक्टर 2.8 GHz तक की गति से काम कर सकता है। इसका मतलब है कि यह आने वाले प्रकाश से मात्र 125 पिकोसेकंड में विद्युत संकेत उत्पन्न कर सकता है।शिन ने कहा, “पायरोइलेक्ट्रिक फोटोडिटेक्टर आमतौर पर नैनो से माइक्रोसेकंड की रेंज में काम करते हैं, इसलिए यह सैकड़ों या हजारों गुना तेज है। ये परिणाम वाकई रोमांचक हैं, लेकिन हम पायरोइलेक्ट्रिक फोटोडिटेक्टरों की गतिज सीमा का पता लगाते हुए इन्हें और भी तेज बनाने पर काम कर रहे हैं।”

इमेजिंग और सेंसिंग में भविष्य के अनुप्रयोग

शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि नैनोक्यूब्स और सोने की परत के बीच की संकीर्ण जगह में पायरोइलेक्ट्रिक पदार्थ और विद्युत रीडआउट घटकों को रखकर और भी सुधार संभव हैं। वे ऐसे डिज़ाइन भी खोज रहे हैं जिनमें एक ही समय में प्रकाश की कई तरंग दैर्ध्य और उनकी ध्रुवीयता का पता लगाने के लिए कई मेटासर्फेस का उपयोग किया जाता है।जैसे-जैसे विकास जारी रहेगा और विनिर्माण संबंधी चुनौतियों का समाधान होता जाएगा, यह तकनीक शक्तिशाली नई इमेजिंग प्रणालियों को संभव बना सकती है। चूंकि इन डिटेक्टरों को बाहरी बिजली की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए इनका उपयोग ड्रोन, उपग्रहों और अंतरिक्ष यानों में किया जा सकता है।यह क्षमता वास्तविक समय में यह पहचान करके सटीक कृषि में सहायता कर सकती है कि किन फसलों को पानी या उर्वरक की आवश्यकता है।”जब आप एक साथ कई आवृत्तियों का पता लगाने की क्षमता हासिल कर लेते हैं, तो कई अलग-अलग चीजों के द्वार खुल जाते हैं,” मिकेलसन ने कहा। “कैंसर का निदान, खाद्य सुरक्षा, रिमोट सेंसिंग वाहन। ये सभी अभी काफी दूर की बात हैं, लेकिन हम इसी दिशा में आगे बढ़ रहे हैं।”