Ученые из Технического университета Эйндховена, Нидерланды, создали датчик, который преобразовывает свет в электрический сигнал с 200-процентной эффективностью. И для того, чтобы добиться “невозможного” уровня эффективности, исследователям пришлось использовать некоторые из странных явлений квантовой физики.
Эффективность датчика, фотодиода, обычно определяется количеством фотонов света, преобразованных в электрический сигнал, по отношению к общему количеству фотонов, падающих на поверхность датчика. В данном же случае речь идет несколько о другом виде эффективности, о так называемой квантовой эффективности, о количестве свободных электронов, произведенные в результате поглощения датчиком одного фотона.
Ученые работали над фотоэлектрическим устройством, в котором были объединены два типа технологий, используемых в солнечных батареях, перовскиты и органические полупроводники. Из этих двух материалов были сделаны тончайшие слои, которые были наложены друг на друга. Свет, прошедший и не поглощенный верхним слоем, проходил и поглощался нижним слоем. Такой композитный фотодатчик продемонстрировал квантовую эффективность в 70 процентов.
Для увеличения эффективности, ученые применили странный на первый взгляд прием. Датчик обзавелся светофильтром, блокировавшим свет всего видимого диапазона, а внутренние слои датчика были подсвечены зеленым светом из дополнительного источника. И это подняло показатель квантовой эффективности до значения в 200 процентов.
В настоящее время ученые еще не знают точно, что же именно происходит внутри структуры датчика, но у них уже имеются некоторые теории. “Мы думаем, что освещение зеленым светом приводит к перестроению электронной структуры перовскита” – пишут исследователи, – “Перовскит действует в таком случае, как хранилище дополнительных зарядов, высвобождающихся, только когда инфракрасные фотоны поглощаются органическим слоем”.
“Другими словами, каждый инфракрасный фотон, попавший в датчик и преобразованный в электрон, получает в качестве “бонуса” еще один электрон, что приводит к повышению эффективности до 200 процентов”.
Результатом столь высокого значения квантовой эффективности нового фотодиода является его высокая чувствительность. За счет этого фотодиод смог измерить небольшие изменения в инфракрасном свете, отраженном от пальца человека на расстоянии в 130 сантиметров. В этих измерениях содержатся данные о кровяном давлении и ритме сердцебиения, что обычно измеряется подобными датчиками умных часов, только в данном случае эти измерения были сделаны с достаточно большого расстояния.
Подобным образом был измерен темп дыхания человека по движениям его груди. И все это вместе является демонстрацией высокого потенциала нового датчика в области медицинской диагностики и контроля, который в будущем можно будет производить с достаточно большого расстояния.
