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L'arma segreta dei rilevatori a infrarossi quantici: perché riescono a rilevare la luce infrarossa invisibile?
Un rilevatore a infrarossi a pozzo quantico (QWIP) è un rilevatore a infrarossi che sfrutta la migrazione interbanda degli elettroni in un pozzo quantico per assorbire i fotoni. Per lavorare nella rilevazione a infrarossi, i parametri del pozzo quantico vengono regolati in modo che la differenza di energia tra il suo primo e secondo stato quantico corrisponda esattamente all'energia del fotone infrarosso in arrivo. I QWIP sono solitamente realizzati in arseniuro di gallio, un materiale onnipresente negli smartphone e nelle apparecchiature di comunicazione ad alta velocità. A seconda del materiale e della progettazione del pozzo quantico, il livello energetico del QWIP può essere regolato per assorbire radiazioni infrarosse da 3 a 20 micron. QWIP è una delle tante strutture semplici di dispositivi meccanici quantistici che possono essere utilizzate per rilevare radiazioni infrarosse a onde medie e lunghe ed è nota per la sua stabilità, l'elevata uniformità dei pixel e l'elevata operabilità dei pixel.
Storia
Nel 1985, Stephen Eglash e Lawrence West osservarono una forte migrazione interbanda in più pozzi quantici (MQW), che portò allo sviluppo dei pozzi quantici. Viene fornita una considerazione più approfondita del rilevamento infrarosso. I precedenti tentativi di rilevamento a infrarossi basati sull'assorbimento libero hanno reso impossibile rilevare in modo efficace l'energia dei fotoni, con conseguente insufficiente sensibilità del rilevatore. Tuttavia, nel 1987, il principio di funzionamento di base del rilevatore infrarosso a pozzo quantico era stato stabilito e aveva dimostrato capacità di rilevamento sensibili nell'infrarosso. Poi, nel 1990, la tecnologia è stata utilizzata per migliorare ulteriormente la sensibilità alle basse temperature aumentando lo spessore della barriera. Questi dispositivi sono formalmente noti come rilevatori a infrarossi a pozzi quantici. Nel 1991, le prime immagini a infrarossi furono ottenute utilizzando questa tecnologia.Nel 2002, i ricercatori dell'U.S. Army Research Laboratory hanno sviluppato un QWIP bicolore con tensione regolabile che ha consentito un'efficiente commutazione della lunghezza d'onda per il rilevamento remoto della temperatura.
Lo strumento visualizza una lunghezza d'onda di rilevamento di 7,5 micron a 10 Kelvin con polarizzazione positiva, passando a 8,8 micron con una polarizzazione più negativa. Tuttavia, nonostante la tecnologia QWIP sia preferita dagli utenti nelle applicazioni civili, è stata trattata con freddezza dall'esercito statunitense a causa della sua insufficiente capacità di soddisfare le esigenze militari. All'epoca, i rilevatori riuscivano a rilevare la quantizzazione unidimensionale solo quando la luce era parallela allo strato di materiale, il che accade solitamente quando la luce colpisce il bordo del rilevatore. Pertanto, l'efficienza quantistica della tecnologia QWIP è solo del 5%.
Per risolvere questo problema, nel 2008 l'Army Research Laboratory ha sviluppato la sonda quantistica a infrarossi curvilinea (C-QWIP), che utilizza minuscoli specchi per aumentare l'efficacia del direzionamento della luce infrarossa nella regione del pozzo quantico.
Le pareti laterali del rilevatore C-QWIP inclinate di 45 gradi consentono alla luce di rimbalzare efficacemente e di riflettersi parallelamente nello strato di materiale per generare un segnale elettrico. I test condotti da ARL e L-3 Communications Cincinnati Electronics hanno dimostrato che il C-QWIP aveva una larghezza di banda di oltre 3 micron, ovvero cinque volte quella del QWIP commerciale dell'epoca. Poiché i C-QWIP possono essere realizzati in arseniuro di gallio, rappresentano un'alternativa più conveniente ai rilevatori a infrarossi convenzionali per gli elicotteri dell'esercito e riducono la necessità di messa a punto e manutenzione senza compromettere la risoluzione.
Funzione
I rilevatori a infrarossi funzionano in genere rilevando la radiazione emessa dagli oggetti, la cui intensità dipende da fattori quali la temperatura, la distanza e le dimensioni dell'oggetto. A differenza della maggior parte dei fotodetector a infrarossi, i QWIP sono indipendenti dal bandgap del materiale di rilevamento perché si basano sulla migrazione ottica all'interno di una singola banda di energia. I QWIP possono quindi essere utilizzati per rilevare oggetti che irradiano a energie più basse rispetto al passato.
La struttura di base di un QWIP è costituita da un pozzo quantico separato da uno strato barriera; il pozzo quantico è progettato per avere uno stato confinato e un primo stato eccitato allineato con la parte superiore della barriera.
La caratteristica fondamentale di questi pozzi quantici è che lo stato fondamentale con elettroni iniettati è pieno ed è sufficientemente ampio da impedire l'effetto tunnel quantistico. I QWIP tipici sono costituiti da 20-50 pozzi quantici. Quando viene applicata una polarizzazione, l'intera banda di conduzione si inclina e, in assenza di luce, gli elettroni rimangono fermi nello stato fondamentale. Quando il QWIP viene irradiato con luce di energia uguale o superiore all'energia di migrazione interbanda, gli elettroni vengono eccitati e possono passare allo stato continuo, calcolato come fotocorrente. Per misurare esternamente la fotocorrente, è necessario applicare un campo elettrico per estrarre gli elettroni nei pozzi quantici.
L'efficienza della fotocorrente è influenzata da diversi parametri. Supponendo approssimativamente che il rilevatore sia illuminato con un flusso di fotoni φ , la fotocorrente I_{ph} = e \cdot φ \cdot η \cdot g_{ph} , dove e è la carica elementare, η è l'efficienza di assorbimento e g_{ph} è il guadagno fotoconduttivo.
Sebbene a prima vista possa non sembrare ragionevole, il guadagno fotoconduttivo
g_{ph}può essere maggiore di 1. Poiché ogni volta che un elettrone viene eccitato ed estratto come fotocorrente, un altro elettrone viene iniettato dalla giunzione opposta (emettitore) per bilanciare le perdite.
Questa possibilità consente ai rilevatori a infrarossi a pozzi quantici di raggiungere una maggiore sensibilità alla fotocorrente e un'efficacia maggiore nelle applicazioni. In definitiva, la stabilità e le ampie prospettive applicative della tecnologia QWIP le conferiscono un potenziale illimitato in varie ricerche e applicazioni pratiche future. Gli scienziati non possono fare a meno di chiedersi: con la crescente domanda di tecnologia, quali nuove scoperte ci attendono?
