Engenheiros da Duke University, nos Estados Unidos, criaram o fotodetector piroelétrico mais rápido já registrado. Este dispositivo “sente” sinais de luz capturando o calor convertido em luz após ser absorvido. Este novo sensor ultrafino pode operar em temperatura ambiente, não requer fonte de alimentação externa e pode ser integrado a um sistema de chip para responder à luz de quase todo o espectro eletromagnético. Espera-se que promova o desenvolvimento de uma nova geração de tecnologia de imagem multiespectral. Resultados de pesquisas relevantes foram publicados na revista Advanced Functional Materials.
Atualmente, a maioria dos equipamentos de câmeras digitais depende de detectores de luz semicondutores para converter a luz visível que incide sobre suas superfícies em corrente elétrica, que é então processada por circuitos eletrônicos para formar imagens. A faixa de trabalho deste tipo de dispositivo é semelhante à do olho humano, concentrada principalmente fora da faixa limitada de luz visível, e muitas vezes "fecha os olhos" à radiação eletromagnética em outras faixas. Para detectar uma banda mais ampla, os pesquisadores costumam utilizar detectores piroelétricos: quando o material absorve luz, sua temperatura aumenta, produzindo um sinal elétrico.
No entanto, os detectores piroelétricos tradicionais há muito são inferiores às soluções semicondutoras em termos de desempenho de resposta. Para obter sinal suficiente, o dispositivo geralmente requer uma camada espessa de absorção ou luz incidente muito forte, o que torna o volume geral volumoso e a velocidade de resposta lenta. Maiken Mikkelsen, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke University, ressalta que os detectores piroelétricos comerciais têm capacidade de resposta limitada e “requerem luz muito brilhante ou uma camada absorvedora muito espessa, que é naturalmente lenta porque o calor em si não viaja muito rapidamente”.
A descoberta da equipe Duke veio de um projeto estrutural denominado "metasuperfície". Os pesquisadores organizaram com precisão um grande número de nanocubos de prata em cima de uma película de ouro extremamente fina, separados por uma camada transparente com cerca de 10 nanômetros de espessura. Quando a luz atinge esses nanocubos, ela excita elétrons na prata, prendendo a energia luminosa na estrutura local por meio de um efeito plasmon. Os comprimentos de onda específicos capturados dependem do tamanho e espaçamento dos nanocubos, permitindo que a frequência de absorção seja controlada através da engenharia das nanoestruturas.
Como essa nanoestrutura é tão eficiente na “captura” de luz, os pesquisadores só precisam colocar uma camada extremamente fina de material piroelétrico embaixo dela para gerar um sinal elétrico forte o suficiente. A equipe demonstrou essa ideia pela primeira vez em 2019, embora sua velocidade de resposta não tenha sido medida na época. “Teoricamente, os fotodetectores térmicos deveriam ser muito lentos, então todo o campo ficou surpreso quando descobrimos que exibiam escalas de tempo próximas às dos fotodetectores de silício”, lembra Mikkelsen.
Nos últimos anos, Eunso Shin, aluno de doutorado da equipe de Mikkelsen, otimizou ainda mais a estrutura do dispositivo e projetou uma solução de teste de baixo custo para medir sua velocidade máxima sem depender de instrumentos profissionais caros. O design atualizado usa uma metassuperfície circular em vez de uma estrutura retangular, o que, por um lado, aumenta a área efetiva de captura da luz incidente e, por outro lado, encurta o caminho de transmissão do sinal dentro do dispositivo. A equipe também está trabalhando com colaboradores para introduzir camadas mais finas de materiais piroelétricos e melhorar o projeto de circuitos usados para ler e transmitir sinais.
Durante a sessão de teste, Shin construiu uma plataforma experimental composta por dois lasers de feedback distribuídos. À medida que a frequência do laser se aproxima gradualmente do limite de trabalho do fotodetector, a resposta do sinal de saída do dispositivo mudará significativamente, a partir da qual sua verdadeira velocidade de trabalho pode ser deduzida. Os resultados mostram que o novo fotodetector pode operar em frequências de até 2,8 GHz, o que significa que pode converter a luz incidente em um sinal elétrico mensurável em uma escala de tempo de cerca de 125 picossegundos.
“Os fotodetectores piroelétricos geralmente operam na faixa de nanossegundos a microssegundos, e os resultados desta vez são centenas ou até milhares de vezes mais rápidos”, disse Shin, observando que a equipe ainda está trabalhando para aumentar ainda mais a velocidade enquanto explora o limite superior de velocidade do mecanismo físico dos fotodetectores piroelétricos.
Olhando para as perspectivas de aplicação, os pesquisadores acreditam que, ao "empacotar" ainda mais o material piroelétrico e o circuito de leitura no espaço estreito entre o nanocubo e o filme de ouro, espera-se que continue a comprimir a espessura do dispositivo e a melhorar o desempenho. Além disso, eles também estão explorando o uso de estruturas de metassuperfície multicamadas para que um único dispositivo possa detectar vários comprimentos de onda e seus estados de polarização simultaneamente. À medida que as iterações de design e os processos de fabricação subsequentes amadurecem, espera-se que esta tecnologia leve a uma nova geração de poderosos sistemas de imagem multiespectral.
Como esses detectores não requerem fonte de alimentação externa durante o funcionamento, eles têm potencial para serem implantados em drones, satélites e diversas espaçonaves para realizar missões de sensoriamento remoto altamente manobráveis e de longo prazo. Em cenários de agricultura de precisão, plataformas não tripuladas equipadas com este sistema de imagem podem identificar quais culturas necessitam de irrigação ou fertilização em tempo real, conseguindo uma gestão de recursos mais precisa. Mikkelsen acredita que, uma vez que os dispositivos possam detectar frequências suficientes simultaneamente, “isso abrirá a porta para aplicações como diagnóstico de câncer de pele, detecção de segurança alimentar e veículos de sensoriamento remoto.