Regard couche par couche sur le nouveau détecteur infrarouge de métamatériau, avec des vues simulées quant à sa distribution de température (en haut à droite), champ électrique (en bas à gauche), et comment il absorbe la puissance (en bas à droite). Crédit :Willie Padilla, université de Duke
Les scientifiques et ingénieurs en matériaux ont développé un capteur rapide, suffisamment sensible et efficace pour détecter des longueurs d'onde spécifiques d'énergie électromagnétique lors de vos déplacements. La technologie pourrait analyser activement les zones à la recherche de fuites de méthane ou de gaz naturel, surveiller la santé de vastes champs de cultures ou trier rapidement les plastiques pour le recyclage.
En étroite collaboration avec la société de matériaux optoélectroniques SRICO, les ingénieurs de l'Université Duke ont construit un prototype de détecteur qui bat la concurrence existante en taille, poids, Puissance, vitesse et, le plus important, Coût.
La nouvelle technologie repose sur des métamatériaux, des structures artificielles constituées de cellules répétitives soigneusement conçues qui peuvent interagir avec les ondes électromagnétiques de manière non naturelle. En combinant des motifs de métal apparemment simples avec des tranches extrêmement fines de cristaux parfaits, les ingénieurs ont créé un appareil rationalisé capable de détecter les signatures infrarouges invisibles émises par différents types de gaz, plastiques et autres sources.
Les résultats sont parus le 20 février 2017, dans la revue Optique .
« L'avantage de l'utilisation de métamatériaux est que les différents composants requis dans un détecteur peuvent être combinés en une seule fonctionnalité, " a déclaré Willie Padilla, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "Cette simplification vous fait gagner beaucoup d'efficacité."
Dans un détecteur thermique typique, les ondes lumineuses infrarouges sont absorbées et converties en chaleur par une substance noire, essentiellement de la suie. Cette chaleur est conduite vers un composant séparé qui crée un signal électrique qui est ensuite lu. Cette configuration crée des limitations de vitesse, et uniquement en superposant des filtres ou un système complexe de miroirs mobiles, peut-on distinguer des longueurs d'onde spécifiques.
Un prototype de détecteur infrarouge réalisé avec la nouvelle technologie de métamatériau par SRICO. Crédit :SRICO
Le nouveau capteur de métamatériau contourne ces deux problèmes.
Chaque minuscule section du détecteur est constituée d'un motif d'or posé sur un cristal de niobate de lithium. Ce cristal est pyroélectrique, ce qui signifie que quand il fait chaud, il crée une charge électrique. Comme raser un morceau de fromage d'un bloc, les ingénieurs de SRICO utilisent un faisceau d'ions pour peler une tranche de cristal de seulement 600 nanomètres d'épaisseur. Cette technique élimine les défauts potentiels de la structure cristalline, ce qui réduit le bruit de fond. Cela crée également une tranche plus fine que les autres approches, permettant au cristal de chauffer plus rapidement.
Ordinairement, ce cristal est si fin que la lumière traverserait simplement sans être absorbée. Cependant, les chercheurs adaptent la couche supérieure d'or en un motif qui se combine avec les propriétés du cristal pour que le pixel n'absorbe qu'une plage spécifique de fréquences électromagnétiques, éliminant le besoin de filtres séparés. Lorsque le cristal chauffe et génère une charge électrique, l'or fait alors double emploi en acheminant le signal vers l'amplificateur du détecteur, éliminant le besoin de fils électriques séparés.
"Ces conceptions permettent à cette technologie d'être 10 à 100 fois plus rapide que les détecteurs existants car la chaleur est créée directement par le cristal", a déclaré Jon Suen, un associé postdoctoral dans le laboratoire de Padilla. "Cela nous permet de créer des appareils avec moins de pixels et présente également la possibilité de balayer le détecteur sur une zone ou de capturer des images en mouvement."
"C'est un si bon mariage de technologies, " a déclaré Vincent Stenger, ingénieur au SRICO et co-auteur de l'article. "Travailler avec Duke a été l'une des situations les plus idéales que j'ai eues avec le transfert de technologie. Nous pouvons nous concentrer sur la fabrication du matériau et ils peuvent se concentrer sur la structure de l'appareil. Les deux parties ont contribué avec un produit clair à l'esprit que nous ' je travaille maintenant sur le marketing."
Les chercheurs peuvent fabriquer l'appareil pour détecter toute plage spécifique de fréquences électromagnétiques simplement en redessinant les détails du motif en or.
Stenger et ses collègues de SRICO ont déjà créé un prototype à un seul pixel comme preuve de concept. Ils travaillent actuellement à trouver un financement auprès d'investisseurs de l'industrie ou éventuellement une subvention gouvernementale de suivi.
Les chercheurs sont optimistes car leur appareil présente de nombreux avantages par rapport aux technologies existantes. Son temps de détection rapide lui permettrait de balayer rapidement une zone tout en recherchant des fuites de méthane ou de gaz naturel. La simplicité de sa conception le rend suffisamment léger pour être transporté dans les champs pour évaluer la santé des cultures agricoles.
« Vous pourriez même en faire un instrument de laboratoire à faible coût pour la spectroscopie d'échantillons médicaux, " a déclaré Padilla. " Je ne sais pas quel serait le prix éventuel, mais ce serait beaucoup moins que les 300 $, 000 instruments que nous avons actuellement dans notre laboratoire."
