近年来，Mikkelsen 团队博士生 Eunso Shin 对器件构造进行了进一步优化，并设计了一套成本较低的测试筹划，用以测量其极限速度，而无需依附价格昂扬的专业仪器。 进级版设计采取圆形超外面替代矩形构造，一方面增长了对入射光的有效捕获面积，另一方面缩短了旌旗灯号在器件内部的传输路径。 团队还与合作方一路引入更薄的热释电材料层，并改进了用于读取和传输旌旗灯号的电路设计。
今朝，大年夜多半数字摄像设备依附半导体光探测器，将落在其外面的可见光转化为电流，再经由电子电路处理形成图像。 这类器件的工作波段与人眼类似，重要集中在有限的可见光范围之外，对其他波段的电磁辐射往往“熟视无睹”。 为了探测更宽波段，科研人员平日会采取热释电探测器：当材料接收光线后温度升高，产生电旌旗灯号。
不过，传统热释电探测器在响应机能上经久不及半导体筹划。 为获得足够旌旗灯号，器件往往须要较厚的接收层或异常强的入射光，这使得整体体积宏大年夜、响应速度迟缓。 杜克大年夜学电气与计算机工程传授 Maiken Mikkelsen 指出，贸易化热释电探测器响应性有限，“要么须要异常亮的光，要么须要异常厚的接收层，这天然会变慢，因为热本身传得不快”。
杜克团队的冲破来自一种被称为“超外面”（metasurface）的构造设计。 研究人员在一层极薄的金膜上方，隔着约 10 纳米厚的透明薄层，精确排布了大年夜量银纳米立方体。 当光线照射到这些纳米立方体上时，会激发银中的电子，经由过程等离子体效应将光能量“困”在局部构造中。 被捕获的具体波长则取决于纳米立方体的尺寸和间距，从而可以经由过程纳米构造工程化控制接收的频率。
因为这种纳米构造对光的“捕获”极为高效，研究人员只需在其下方放置一层极薄的热释电材料，就可以产生足够强的电旌旗灯号。 团队早在 2019 年就初次展示过这一思路，不过当时并未测量其响应速度。 “热型光探测器理论上应当很慢，是以当我们发明它表示出的时光标准与硅光探测器接近时，全部范畴都认为弗成思议，”Mikkelsen 回想说。
在测试环节，Shin 构建了一套由两台分布反馈激光器构成的实验平台。 跟着激光频率慢慢切近亲近光探测器的工作极限，器件输出旌旗灯号的响应会出现明显变更，由此可以推算其真实工作速度。 成果注解，这一新型光探测器的工作频率最高可达 2.8 GHz，也就是说，它能在约 125 皮秒的时光标准上，将入射光转化为可测量的电旌旗灯号。
“热释电光探测器平日工作在纳秒到微秒级，此次的成果要快数百甚至上千倍，”Shin 表示，并指出团队仍在尽力进一步提速，同时摸索热释电光探测器在物理机制上的速度上限。
瞻望应用前景，研究人员认为经由过程将热释电材料和读出电路进一步“塞进”纳米立方体与金膜之间的狭小空间，有望持续紧缩器件厚度并晋升机能。 此外，他们也在摸索应用多层超外面构造，使单个器件可同时对多个波长及其偏振态进行探测。 跟着后续设计迭代与制造工艺成熟，这项技巧有望催生新一代功能强大年夜的多光谱成像体系。
因为这类探测器在工作时无需外部供电，它们有潜力安排在无人机、卫星以及各类航天器上，履行经久、高灵活性的遥感义务。 在精细农业场景中，搭载这种成像体系的无人平台可以及时辨认哪些农作物须要浇灌或施肥，实现更精准的资本治理。 Mikkelsen 认为，一旦器件可以或许同时探测足够多的频率，“将为皮肤癌诊断、食物安然检测以及长途感知车辆等应用打开大年夜门，这些固然还都在路上，但这就是我们正在进步的偏向”。
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