Un fotorilevatore ultrasottile capace di catturare la luce lungo tutto lo spettro elettromagnetico in appena 125 picosecondi è stato sviluppato alla Duke University, e rappresenta il dispositivo piroelettrico più veloce mai costruito. Non è un miglioramento incrementale: parliamo di qualcosa che va da centinaia a migliaia di volte più rapido rispetto ai rilevatori piroelettrici attualmente in commercio. Una roba che, quando è stata presentata alla comunità scientifica, ha lasciato parecchi a bocca aperta. E le applicazioni potenziali, dalla diagnosi del cancro della pelle al monitoraggio agricolo su larga scala, fanno capire perché se ne parla tanto.
Perché i fotorilevatori tradizionali non bastano più
La maggior parte delle fotocamere digitali si basa su semiconduttori che generano corrente elettrica quando vengono colpiti dalla luce visibile. Funzionano bene, ma hanno un limite strutturale: percepiscono solo una piccola fetta dello spettro elettromagnetico, un po’ come l’occhio umano, che vede solo le lunghezze d’onda della luce visibile e nulla di più. Per andare oltre quella finestra, i ricercatori si affidano da tempo ai rilevatori piroelettrici, dispositivi che producono un segnale elettrico quando si riscaldano assorbendo la luce in arrivo. Il problema? Per generare calore sufficiente dalle lunghezze d’onda più difficili da catturare servono materiali assorbenti spessi oppure fonti luminose molto intense. Il risultato sono dispositivi ingombranti e, soprattutto, lenti. “I rilevatori piroelettrici commerciali non sono molto reattivi”, ha spiegato Maiken Mikkelsen, professoressa di ingegneria elettrica e informatica alla Duke University. “Il nostro approccio integra in modo intelligente assorbitori quasi perfetti e materiali piroelettrici ultrasottili, raggiungendo un tempo di risposta di 125 picosecondi. Per il settore è un salto enorme.”
La metasuperficie che intrappola la luce
Il segreto del fotorilevatore ultrasottile sta in una struttura ingegnerizzata chiamata metasuperficie. Si tratta di nanocubi d’argento disposti con precisione su uno strato trasparente posizionato a soli 10 nanometri sopra una sottile lamina d’oro. Quando la luce colpisce un nanocubo, eccita gli elettroni dell’argento e ne intrappola l’energia attraverso un fenomeno noto come plasmonica. La frequenza esatta della luce catturata dipende dalle dimensioni dei nanocubi e dalla distanza tra loro. Siccome questo meccanismo di intrappolamento è estremamente efficiente, sotto la struttura basta uno strato piroelettrico sottilissimo per generare il segnale elettrico. Il concetto era stato dimostrato già nel 2019 dal laboratorio di Mikkelsen, ma quella versione iniziale non era progettata per misurare la velocità di risposta del dispositivo. “I fotorilevatori termici dovrebbero essere lenti, quindi è stato sbalorditivo per tutta la comunità”, ha raccontato Mikkelsen. “Ci ha colto di sorpresa scoprire che sembrava funzionare su scale temporali simili a quelle dei fotorilevatori al silicio.” Negli anni successivi, Eunso Shin, dottorando nel laboratorio di Mikkelsen, ha lavorato per affinare il design e sviluppare un metodo di misurazione della velocità che non richiedesse apparecchiature costosissime. Nella versione più recente, la metasuperficie è stata ridisegnata con una forma circolare anziché rettangolare: questo aumenta la superficie esposta alla luce e riduce la distanza che i segnali elettrici devono percorrere. Sono stati integrati strati piroelettrici ancora più sottili, forniti da collaboratori esterni, e il circuito elettronico è stato migliorato per catturare e trasmettere i segnali con maggiore efficienza.
Velocità record e scenari futuri
Per misurare le prestazioni del dispositivo, Shin ha ideato un setup sperimentale basato su due laser a retroazione distribuita. Le misurazioni hanno confermato che il fotorilevatore termico può operare a velocità fino a 2,8 GHz: a quel ritmo, la luce in ingresso produce un segnale elettrico in soli 125 picosecondi. “I fotorilevatori piroelettrici operano comunemente nell’ordine dei nano o microsecondi, quindi parliamo di centinaia o migliaia di volte più veloce”, ha commentato Shin. “I risultati sono davvero entusiasmanti, ma stiamo ancora lavorando per renderli ancora più rapidi, cercando di capire quale sia il limite cinetico dei fotorilevatori piroelettrici.” Il team crede che si possa guadagnare ulteriore velocità posizionando il materiale piroelettrico e i componenti di lettura elettronica nello spazio strettissimo tra i nanocubi e lo strato d’oro. Stanno anche esplorando configurazioni con più metasuperfici capaci di rilevare simultaneamente diverse lunghezze d’onda e la loro polarità. Man mano che lo sviluppo prosegue e le sfide produttive vengono affrontate, la tecnologia potrebbe dare vita a sistemi di imaging di nuova generazione. Il fatto che questi rilevatori non necessitino di alimentazione esterna li rende adatti all’impiego su droni, satelliti e veicoli spaziali. In agricoltura di precisione, ad esempio, potrebbero rivelare in tempo reale quali colture hanno bisogno di acqua o fertilizzante. “Quando si arriva alla capacità di rilevare molte frequenze contemporaneamente, si aprono le porte a tantissime possibilità”, ha detto Mikkelsen. “Diagnosi del cancro, sicurezza alimentare, veicoli per il telerilevamento. Sono tutte applicazioni ancora lontane, ma è la direzione in cui ci stiamo muovendo.” La ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials, è stata sostenuta dall’Air Force Office of Scientific Research e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.
