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Il potere nascosto in minuscoli pozzi quantistici: in che modo gli scienziati hanno trasformato la tecnologia di rilevamento a infrarossi nel 1985?
Nel vasto campo della tecnologia di rilevamento a infrarossi, il fotorilevatore a infrarossi a pozzo quantico (QWIP) rappresenta senza dubbio uno sviluppo di grande importanza. Questo tipo di rilevatore utilizza la migrazione degli elettroni nella sottobanda per assorbire i fotoni infrarossi. Il suo principio fondamentale si basa su pozzi quantistici squisitamente progettati. Il suo design strutturale consente alla differenza di energia di corrispondere accuratamente all'energia dei fotoni infrarossi in arrivo. Questo livello di tecnologia può essere fatto risalire al 1985, quando gli scienziati iniziarono a esplorare i misteri della meccanica quantistica in questo campo.
Il fotorilevatore a infrarossi a pozzo quantico, come struttura di un dispositivo quantistico di base, può rilevare stabilmente la radiazione infrarossa a onda media e lunga e ha un'eccellente uniformità e operabilità tra i pixel.
Storia di QWIP
Nel 1985, gli scienziati Stephen Egerash e Lawrence West osservarono una forte migrazione di sottobande in più pozzi quantistici, una scoperta che promosse la possibilità di utilizzare pozzi quantistici nei rilevatori a infrarossi. La ricerca precedente sui pozzi quantistici si basava principalmente sul concetto di assorbimento libero. Tuttavia, la sensibilità dei rilevatori in questo modo era lungi dall'essere sufficiente.
Nel 1987, i principi operativi di base furono gradualmente stabiliti e nel 1991 la tecnologia ottenne con successo per la prima volta immagini a infrarossi. Nel 2002, i ricercatori dell’U.S. Army Research Laboratory hanno sviluppato un QWIP a due colori in grado di regolare la tensione, che ha aperto un nuovo potenziale per questa tecnologia nel rilevamento remoto della temperatura.
Sebbene la tecnologia QWIP sia ampiamente utilizzata in ambito civile, all'epoca l'esercito statunitense la riteneva insufficiente a soddisfare le proprie esigenze.
L'evoluzione della tecnologia QWIP
Mentre la ricerca continua ad approfondirsi, gli scienziati hanno scoperto il modo più efficace per rilevare la radiazione infrarossa nello spazio tridimensionale. Questa scoperta ha portato al fotorilevatore a infrarossi quantistici ondulati (C-QWIP) sviluppato dall'U.S. Army Research Institute nel 2008. . Questo nuovo rilevatore utilizza un design a microspecchio per aumentare l’effetto della luce nell’area del pozzo quantico, consentendogli di riflettere la luce nell’intera banda di lunghezze d’onda.
C-QWIP è il risultato di un'innovazione basata sui pozzi quantistici. I risultati dei test mostrano che questo nuovo rilevatore ha una larghezza di banda di oltre 3 micron, superando così l'attuale tecnologia sul mercato in termini di prestazioni.
La NASA ha utilizzato il rilevatore C-QWIP su un satellite per la sua missione di continuazione dei dati Landsat nel 2013, segnando la prima volta che questa tecnologia è entrata nel regno dello spazio.
Funzioni di base di QWIP
Il principio di funzionamento del QWIP è diverso da quello dei rilevatori a infrarossi convenzionali e non è limitato dal gap di banda del materiale di rilevamento, che gli consente di rilevare radiazioni a energia inferiore. Lo stato elettronico nel pozzo quantico è progettato in modo tale che, dopo l'applicazione di una tensione di polarizzazione, l'inclinazione dell'intera banda conduttiva consente agli elettroni di passare ad uno stato eccitato in condizioni di illuminazione appropriate, che viene quindi misurato come fotocorrente.
Quando il rilevatore è illuminato, se l'energia della luce incidente è sufficiente, gli elettroni verranno eccitati ed entreranno in una regione continua, formando una fotocorrente misurabile. L'efficienza della generazione di fotocorrente è influenzata da molteplici parametri, che sono cruciali per la progettazione di QWIP efficienti.
Anche durante la misurazione esterna, se si desidera ottenere una fotocorrente efficace, è necessario estrarre gli elettroni applicando un campo elettrico. L'efficienza di questo processo influisce direttamente sulle prestazioni complessive del rilevatore.
Prospettive future
Con il progresso della tecnologia, i campi di applicazione del QWIP si sono progressivamente ampliati, dai tradizionali rilevatori militari e civili alla tecnologia di osservazione spaziale. È ovvio che questa tecnologia sta cambiando le regole del gioco per il rilevamento a infrarossi. Man mano che la tecnologia quantistica continua ad essere esplorata, emergeranno applicazioni più innovative. Ciò cambierà i nostri metodi di ricerca della conoscenza e le nostre aspettative per la tecnologia di rilevamento a infrarossi?
