Американская исследовательская группа обнаружила сильный сверхбыстрый оптический отклик, индуцированный ионизирующим излучением, что может способствовать развитию медицинской визуализации и сенсорных технологий

Сообщение от 3 сентября: исследовательская группа Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США с помощью сверхбыстрых электронных и лазерных импульсов наблюдала сильный сверхбыстрый оптический отклик, вызванный процессами ионизации в полупроводниковых материалах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature·Photonics. Исследователи полагают, что это открытие может предложить новые подходы для радиографической визуализации и сенсорных технологий, а также предоставить экспериментальную основу для понимания фундаментального поведения материалов под воздействием высокоэнергетических частиц.

Детектирование излучения является ключевой технологией в ускорителях частиц, научных приборах, медицинской визуализации и досмотровом оборудовании. Существующие детекторы обычно сталкиваются с компромиссом между силой сигнала и скоростью отклика: процессы детектирования с более сильным сигналом часто медленнее, а сигналы с высокой скоростью отклика могут быть слабее. Это ограничение влияет на точность детектирования и возможности визуализации в реальном времени.

В данном исследовании группа использовала установку сверхбыстрой электронной дифракции на мегаэлектронвольтах (MeV-UED) на базе линейного ускорителя-источника когерентного света SLAC. Эта система обычно используется как “электронная камера” для изучения динамики атомов и молекул, однако в данной работе исследователи не использовали электроны для визуализации образцов, а вместо этого инжектировали высокоэнергетические электроны в полупроводниковые образцы для моделирования процессов ионизации в таких приложениях, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), а затем использовали синхронизированные сверхбыстрые лазерные импульсы различных длин волн для регистрации оптических изменений, возникающих в полупроводнике сразу после ионизации.

Объектом исследования были полупроводники группы II-VI, которые часто используются в электронных приложениях, таких как инфракрасные детекторы и фотоэлектрические солнечные элементы. Экспериментальные результаты показали, что исследовательская группа не только получила сильные сверхбыстрые сигналы, связанные с излучением, но и наблюдала, что распределение носителей заряда внутри материала отличается от ожидаемого. Исследователи первоначально предполагали, что электронно-дырочные пары, создаваемые высокоэнергетическими электронами, будут распределены относительно равномерно по образцу; однако фактические наблюдения показали, что эти носители заряда собираются в локальных областях с высокой плотностью.

Такое локально плотное распределение заряда изменяет ширину запрещённой зоны материала, то есть диапазон энергий, в котором в материале отсутствуют электронные состояния, что влияет на способность полупроводника поглощать и пропускать свет. Исследователи отметили, что под воздействием высокоэнергетических электронов в полупроводнике наблюдалось значительное изменение энергии запрещённой зоны, что позволило ему проявлять свойства пропускания света в условиях, при которых он обычно не является прозрачным.

Исследовательская группа полагает, что понимание того, как высокоэнергетические электроны формируют локальные области высокой энергии в материалах и создают сильные оптические сигналы, будет способствовать разработке новых сенсорных платформ. Соответствующие эффекты в будущем могут быть использованы в системах визуализации с более низкой энергией, например, в технологиях визуализации в реальном времени и диагностики заболеваний в медицинских сценариях. Исследователи выразили надежду, что это направление в конечном итоге сможет поддержать приложения быстрой визуализации и вмешательства в реальном времени. Исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США, Национальным научным фондом США и Национальными институтами здравоохранения США и другими организациями.