Language
Country/Area
No result found
Senjata rahasia detektor inframerah sumur kuantum: Mengapa mereka dapat mendeteksi cahaya inframerah yang tak terlihat?
Detektor inframerah kuantum (QWIP) adalah detektor inframerah yang menggunakan migrasi elektron antar-pita dalam kuantum untuk menyerap foton. Agar dapat bekerja dalam deteksi inframerah, parameter kuantum disetel sehingga perbedaan energi antara status kuantum pertama dan kedua sama persis dengan energi foton inframerah yang masuk. QWIP biasanya terbuat dari galium arsenida, bahan yang ada di mana-mana dalam telepon pintar dan peralatan komunikasi berkecepatan tinggi. Bergantung pada bahan dan desain kuantum, tingkat energi QWIP dapat disetel untuk menyerap radiasi inframerah dari 3 hingga 20 mikron. QWIP adalah salah satu dari beberapa struktur perangkat mekanika kuantum sederhana yang dapat digunakan untuk mendeteksi radiasi inframerah gelombang menengah dan gelombang panjang dan dikenal karena stabilitasnya, keseragaman piksel yang tinggi, dan pengoperasian piksel yang tinggi.
Sejarah
Pada tahun 1985, Stephen Eglash dan Lawrence West mengamati migrasi antarpita yang kuat di beberapa sumur kuantum (MQW), yang mengarah pada pengembangan sumur kuantum. Pertimbangan yang lebih mendalam tentang deteksi inframerah diberikan. Upaya sebelumnya pada deteksi inframerah berdasarkan penyerapan bebas membuatnya tidak mungkin untuk mendeteksi energi foton secara efektif, yang mengakibatkan sensitivitas detektor tidak memadai. Namun, pada tahun 1987, prinsip operasi dasar detektor inframerah sumur kuantum telah ditetapkan dan menunjukkan kemampuan deteksi yang sensitif dalam inframerah. Kemudian pada tahun 1990, teknologi digunakan untuk lebih meningkatkan sensitivitas suhu rendah dengan meningkatkan ketebalan penghalang. Perangkat ini secara resmi dikenal sebagai detektor inframerah sumur kuantum. Pada tahun 1991, gambar inframerah pertama kali diperoleh menggunakan teknologi ini.Pada tahun 2002, para peneliti di Laboratorium Penelitian Angkatan Darat AS mengembangkan QWIP dua warna yang dapat disesuaikan tegangannya yang memungkinkan pengalihan panjang gelombang yang efisien untuk penginderaan suhu jarak jauh.
Instrumen tersebut menampilkan panjang gelombang deteksi 7,5 mikron pada 10 Kelvin dengan bias positif, beralih ke 8,8 mikron pada bias yang lebih negatif. Akan tetapi, meskipun teknologi QWIP disukai oleh pengguna dalam aplikasi sipil, teknologi ini telah diperlakukan dingin oleh militer AS karena kemampuannya yang tidak memadai untuk memenuhi kebutuhan militer. Pada saat itu, detektor hanya dapat mendeteksi kuantisasi satu dimensi ketika cahaya sejajar dengan lapisan material, yang biasanya terjadi ketika cahaya mengenai tepi detektor. Oleh karena itu, efisiensi kuantum teknologi QWIP hanya 5%.
Untuk mengatasi masalah ini, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat mengembangkan Curvilinear Quantum Infrared Probe (C-QWIP) pada tahun 2008, yang menggunakan cermin kecil untuk meningkatkan efektivitas pengarahan cahaya inframerah ke wilayah sumur kuantum.
Dinding samping detektor C-QWIP yang dimiringkan 45 derajat memungkinkan cahaya memantul kembali dan memantul secara paralel pada lapisan material untuk menghasilkan sinyal listrik. Pengujian yang dilakukan oleh ARL dan L-3 Communications Cincinnati Electronics menunjukkan bahwa C-QWIP memiliki lebar pita lebih dari 3 mikron, yang lima kali lebih besar dari QWIP komersial pada saat itu. Karena C-QWIP dapat diproduksi dari galium arsenida, C-QWIP merupakan alternatif yang lebih hemat biaya daripada detektor inframerah konvensional untuk helikopter Angkatan Darat dan mengurangi kebutuhan untuk penyetelan dan pemeliharaan tanpa mengorbankan resolusi.
Fungsi
Detektor inframerah biasanya bekerja dengan mendeteksi radiasi yang dipancarkan oleh objek, yang intensitasnya bergantung pada faktor-faktor seperti suhu, jarak, dan ukuran objek. Tidak seperti kebanyakan fotodetektor inframerah, QWIP tidak bergantung pada celah pita bahan deteksi karena QWIP didasarkan pada migrasi optik dalam satu pita energi. Oleh karena itu, QWIP dapat digunakan untuk mendeteksi objek yang memancarkan energi lebih rendah daripada sebelumnya.
Struktur dasar QWIP terdiri dari sumur kuantum yang dipisahkan oleh lapisan penghalang, dan sumur kuantum dirancang untuk memiliki keadaan terbatas dan keadaan tereksitasi pertama yang sejajar dengan bagian atas penghalang.
Fitur utama sumur kuantum ini adalah bahwa keadaan dasar dengan elektron yang disuntikkan terisi dan cukup lebar untuk mencegah penerowongan kuantum. QWIP yang umum terdiri dari 20 hingga 50 sumur kuantum. Ketika bias diterapkan, seluruh pita konduksi miring, dan jika tidak ada cahaya, elektron tetap diam dalam keadaan dasar. Ketika QWIP disinari dengan cahaya dengan energi yang sama atau lebih tinggi daripada energi migrasi antar-pita, elektron tereksitasi dan dapat lepas ke keadaan kontinum, yang dihitung sebagai arus foto. Untuk mengukur arus foto secara eksternal, medan listrik perlu diterapkan untuk mengekstraksi elektron dalam sumur kuantum.
Efisiensi arus foto dipengaruhi oleh beberapa parameter. Dengan asumsi kasar bahwa detektor diterangi dengan fluks foton φ , arus foto I_{ph} = e \cdot φ \cdot η \cdot g_{ph} , di mana e adalah muatan elementer, η adalah efisiensi penyerapan, dan g_{ph} adalah penguatan fotokonduktif.
Meskipun mungkin tampak tidak masuk akal pada awalnya, penguatan fotokonduktif
g_{ph}dapat lebih besar dari 1. Karena setiap kali elektron tereksitasi dan diekstraksi sebagai arus foto, elektron lain disuntikkan dari sambungan yang berlawanan (emitor) untuk menyeimbangkan kerugian.
Kemungkinan ini memungkinkan detektor inframerah sumur kuantum untuk mencapai sensitivitas dan efektivitas arus foto yang lebih tinggi dalam aplikasi. Pada akhirnya, stabilitas dan prospek aplikasi yang luas dari teknologi QWIP membuatnya memiliki potensi tak terbatas dalam berbagai penelitian dan aplikasi praktis di masa mendatang. Para ilmuwan tidak dapat menahan diri untuk bertanya-tanya: Dengan meningkatnya permintaan akan teknologi, terobosan baru apa yang menunggu untuk kita temukan?
