Fotodetector recorde captura luz em apenas 125 picossegundos

O sensor ultrafino pode capturar luz em todo o espectro eletromagnético. Opera à temperatura ambiente, não requer fonte de alimentação externa e pode ser integrado diretamente em sistemas on-chip. A tecnologia poderá eventualmente permitir uma nova geração de câmeras multiespectrais com aplicações em áreas como detecção de câncer de pele, monitoramento de segurança alimentar e agricultura em grande escala.

As descobertas foram relatadas na revista Advanced Functional Materials.

Por que os fotodetectores tradicionais têm limites

A maioria das câmeras digitais depende de fotodetectores semicondutores que produzem uma corrente elétrica quando atingidos pela luz visível. Os computadores então convertem esse sinal nas imagens que vemos.

No entanto, os semicondutores podem detectar apenas uma pequena porção do espectro eletromagnético. Nesse sentido, são semelhantes ao olho humano, que também está limitado aos comprimentos de onda visíveis da luz.

Para detectar luz fora dessa faixa, os pesquisadores recorrem frequentemente a detectores piroelétricos. Esses dispositivos produzem um sinal elétrico quando aquecem após absorver a luz que entra. Mas gerar calor suficiente a partir de comprimentos de onda mais difíceis de capturar exige tradicionalmente materiais absorventes espessos ou iluminação muito brilhante, tornando esses detectores volumosos e lentos.

“Os detectores piroelétricos comerciais não respondem muito bem, por isso precisam de uma luz muito brilhante ou de absorvedores muito grossos para funcionar, o que naturalmente os torna lentos porque o calor não se move tão rápido”, disse Maiken Mikkelsen, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke. “Nossa abordagem integra de forma inteligente absorvedores quase perfeitos e piroelétricos superfinos para atingir um tempo de resposta de 125 picossegundos, o que é uma grande melhoria para o campo.”

O design de metasuperfície retém a luz com eficiência

O dispositivo desenvolvido pelo laboratório de Mikkelsen depende de uma estrutura especialmente projetada conhecida como metassuperfície. Consiste em nanocubos de prata dispostos com precisão, posicionados em uma camada transparente localizada apenas 10 nanômetros acima de uma fina folha de ouro.

Quando a luz atinge um nanocubo, ela excita elétrons na prata. Essa interação retém a energia da luz por meio de um processo chamado plasmônica. A frequência exata da luz capturada depende do tamanho dos nanocubos e do espaçamento entre eles.

Como esta captura de luz é extremamente eficiente, apenas uma camada muito fina de material piroelétrico é necessária por baixo da estrutura para gerar um sinal elétrico. A equipe de Mikkelsen demonstrou o conceito pela primeira vez em 2019, embora a configuração original não tenha sido projetada para medir a rapidez com que o dispositivo poderia responder.

“Os fotodetectores térmicos deveriam ser lentos, então isso foi surpreendente para toda a comunidade”, disse Mikkelsen. “Fomos pegos de surpresa porque parecia estar funcionando em escalas de tempo semelhantes às dos fotodetectores de silício.”

Otimizando o dispositivo para velocidade

Nos últimos anos, Eunso Shin, estudante de doutorado no laboratório de Mikkelsen, trabalhou para refinar o projeto e ao mesmo tempo desenvolver um método para medir a velocidade do dispositivo sem depender de equipamentos extremamente caros.

Na versão mais recente do detector, a metassuperfície que absorve a luz foi redesenhada em um formato circular em vez de retangular. Esta configuração aumenta a área de superfície exposta à luz recebida enquanto reduz a distância que os sinais elétricos devem percorrer. Os pesquisadores também incorporaram camadas piroelétricas ainda mais finas fornecidas por colaboradores e aprimoraram os circuitos eletrônicos usados ​​para capturar e transmitir os sinais.

Para medir o desempenho do detector, Shin desenvolveu uma configuração experimental usando dois lasers de feedback distribuídos. Os lasers intensificaram-se quando as suas frequências se aproximaram da velocidade de funcionamento do dispositivo, permitindo aos investigadores determinar a rapidez com que o detector poderia responder.

Suas medições mostraram que o fotodetector térmico pode operar em velocidades de até 2,8 GHz. Nesse ritmo, a luz que entra produz um sinal elétrico em apenas 125 picossegundos.

“Os fotodetectores piroelétricos geralmente operam na faixa de nano a microssegundos, então isso é centenas ou milhares de vezes mais rápido”, disse Shin. “Esses resultados são realmente empolgantes, mas ainda estamos trabalhando para torná-los ainda mais rápidos enquanto descobrimos o limite cinético dos fotodetectores piroelétricos.”

Aplicações futuras da agricultura à medicina

Os pesquisadores acreditam que o dispositivo poderia se tornar ainda mais rápido se o material piroelétrico e os componentes de leitura eletrônica fossem colocados no estreito espaço entre os nanocubos e a camada de ouro. Eles também estão explorando maneiras de expandir as capacidades do sistema, incluindo projetos que usam múltiplas metassuperfícies para detectar vários comprimentos de onda de luz e sua polaridade ao mesmo tempo.

À medida que o desenvolvimento continua e os desafios de fabricação são resolvidos, a tecnologia poderá abrir as portas para novos e poderosos sistemas de imagem. Como os detectores não precisam de energia externa, eles podem ser implantados em drones, satélites e naves espaciais.

Tais sistemas poderiam apoiar a agricultura de precisão, revelando em tempo real quais culturas necessitam de água ou fertilizantes adicionais.

“Quando você adquire a capacidade de detectar muitas frequências ao mesmo tempo, você abre a porta para muitas coisas diferentes”, disse Mikkelsen. “Diagnóstico de câncer, segurança alimentar, veículos de sensoriamento remoto. Tudo isso ainda está muito adiantado, mas é nessa direção que estamos indo.”

Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0312) e pela Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF8804).