Debashis Chanda, chercheur à l’Université de Floride centrale et professeur au NanoScience Technology Center, a développé une nouvelle technique pour détecter les photons, des particules élémentaires qui s’étendent de la lumière visible aux radiofréquences et jouent un rôle déterminant dans la communication cellulaire.
Ces progrès pourraient conduire à des technologies plus précises et plus efficaces dans divers domaines, allant de l’amélioration des systèmes d’imagerie médicale et de communication à l’amélioration de la recherche scientifique et même potentiellement au renforcement des mesures de sécurité.
La détection de photons repose généralement sur le changement/modulation de la tension ou de l’amplitude du courant. Mais Chanda a développé un moyen de détecter les photons en modulant la fréquence d’un circuit oscillant, ouvrant ainsi la voie à une détection ultra-sensible des photons.
La méthode de Chanda utilise un matériau spécial à changement de phase (PCM) qui change de forme lorsque la lumière le touche, créant ainsi un rythme électrique qui reste stable ou une oscillation stable du circuit électrique. Lorsqu’un photon lumineux frappe le matériau, il modifie la vitesse du rythme ou modifie la fréquence d’oscillation. L’ampleur des changements de rythme dépend de l’intensité de la lumière, de la même manière que la voix d’une personne modifie le son de la radio.
Le nouveau développement a été publié récemment dans Matériaux fonctionnels avancés.
La détection infrarouge à ondes longues (LWIR) dans la gamme de longueurs d’onde de 8 à 12 micromètres est extrêmement importante en astronomie, en climatologie, en analyse des matériaux et en sécurité. Cependant, la détection LWIR à température ambiante constitue un défi de longue date en raison de la faible énergie des photons.
Les détecteurs LWIR actuellement disponibles peuvent être globalement classés en deux types : les détecteurs refroidis et non refroidis, les deux ayant leurs propres limites.
Bien que les détecteurs refroidis offrent une excellente détectivité, ils nécessitent un refroidissement cryogénique, ce qui les rend coûteux et limite leur utilité pratique. D’un autre côté, les détecteurs non refroidis peuvent fonctionner à température ambiante mais souffrent d’une faible détectivité et d’une réponse lente en raison du bruit thermique plus élevé intrinsèque au fonctionnement à température ambiante. Un détecteur/caméra infrarouge rapide, très sensible et peu coûteux continue de faire face à des défis scientifiques et technologiques.
C’est la principale raison pour laquelle les caméras LWIR ne sont pas largement utilisées, sauf dans les applications du ministère de la Défense et spécifiques à l’espace.
« Contrairement à tous les schémas de détection de photons actuels dans lesquels la puissance lumineuse modifie l’amplitude de la tension ou du courant (modulation d’amplitude – AM), dans le schéma proposé, les impacts ou incidents de photons modulent la fréquence d’un circuit oscillant et sont détectés comme un décalage de fréquence. offrant une robustesse inhérente aux bruits, qui sont de nature AM », explique Chanda.
« Notre approche basée sur la FM produit une puissance, un temps de réponse et une détectivité exceptionnels en termes de bruit à température ambiante », explique Chanda. « Ce concept général de détection de photons basé sur FM peut être mis en œuvre dans n’importe quelle plage spectrale basée sur d’autres matériaux à changement de phase. »
« Nos résultats présentent ce nouveau détecteur basé sur FM comme une plate-forme unique pour créer des détecteurs infrarouges et des systèmes d’imagerie non refroidis à faible coût et à haut rendement pour diverses applications telles que la télédétection, l’imagerie thermique et le diagnostic médical », explique Chanda. « Nous sommes convaincus que les performances peuvent être encore améliorées grâce à un emballage approprié à l’échelle industrielle. »
Ce concept développé par le groupe Chanda apporte un changement de paradigme vers une détection LWIR non refroidie et très sensible, car le bruit limite la sensibilité de détection. Ce résultat promet un nouveau schéma de détection LWIR non refroidi, très sensible, peu coûteux et pouvant être facilement intégré à des circuits de lecture électronique, sans nécessiter d’hybridation complexe.
Plus d’information:
Tianyi Guo et al, Détection et imagerie infrarouge à ondes longues basées sur la modulation de fréquence à température ambiante, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI : 10.1002/adfm.202309298