Ein Team von Elektroingenieuren der Duke University in den USA hat den derzeit schnellsten pyroelektrischen Photodetektor entwickelt, dessen Ansprechzeit nur 125 Pikosekunden beträgt. Das Gerät nutzt die winzige Wärme, die durch Lichtabsorption entsteht, um Licht zu detektieren, benötigt keine externe Stromversorgung, arbeitet bei Raumtemperatur und kann in On-Chip-Systeme integriert werden.

Diese ultraschmale Sensortechnologie kann Licht über das gesamte elektromagnetische Spektrum einfangen und könnte die Entwicklung einer neuen Generation von Multispektralkameras vorantreiben, die in Bereichen wie Hautkrebs-Screening, Lebensmittelqualitätsüberwachung und Präzisionslandwirtschaft eingesetzt werden könnten. Die zugehörige Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.

Traditionelle Photodetektoren basieren hauptsächlich auf Halbleitermaterialien, können aber nur begrenzte Wellenlängenbereiche wie sichtbares Licht erfassen. Pyroelektrische Detektoren decken zwar ein breiteres Spektrum ab, sind jedoch oft aufgrund der Notwendigkeit dicker Absorptionsschichten oder starker Beleuchtung groß und langsam. Maiken Mikkelsen, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Duke University, sagte: „Kommerzielle pyroelektrische Detektoren haben eine geringe Ansprechbarkeit, was sie langsam macht. Unser Design kombiniert einen hocheffizienten Absorber mit ultradünnem pyroelektrischem Material und erreicht eine schnelle Reaktion von 125 Pikosekunden, was ein bedeutender Fortschritt ist.“

Der Detektor verwendet eine Metasurface-Struktur, die aus präzise angeordneten Silber-Nanowürfeln besteht, die auf einer transparenten Schicht in 10 Nanometern Abstand von einer dünnen Goldfolie platziert sind. Licht regt Elektronen im Silber an und fängt Lichtenergie effizient über einen plasmonischen Prozess ein, wobei nur eine extrem dünne pyroelektrische Schicht benötigt wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Das Team stellte dieses Konzept erstmals 2019 vor, testete damals aber die Geschwindigkeit nicht speziell.

Mikkelsen fügte hinzu: „Pyroelektrische Photodetektoren gelten normalerweise als langsam, daher hat unsere Entdeckung die wissenschaftliche Gemeinschaft überrascht. Sie erreicht sogar ähnliche Zeitskalen wie Silizium-Photodetektoren.“

Der Doktorand Eunso Shin hat das Design in den letzten Jahren optimiert, indem er die Metasurface in eine kreisförmige Form änderte, um die Lichtempfangsfläche zu vergrößern und die Signalübertragungsdistanz zu verkürzen, sowie dünnere pyroelektrische Schichten und verbesserte Schaltkreise einsetzte. Messungen mit einer selbstgebauten experimentellen Vorrichtung zeigten, dass der Detektor eine Geschwindigkeit von 2,8 GHz erreichen kann, was bedeutet, dass er ein elektrisches Signal innerhalb von 125 Pikosekunden erzeugt.

Shin wies darauf hin: „Pyroelektrische Photodetektoren arbeiten typischerweise im Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich. Das ist hunderte- bis tausendmal schneller als herkömmliche Geschwindigkeiten. Die Ergebnisse sind ermutigend, und wir untersuchen weiterhin die Geschwindigkeitsgrenzen.“

In Zukunft könnte das Gerät durch Platzierung der Komponenten in engeren Abständen noch schneller werden. Das Team erforscht auch Designs mit mehreren Metasurfaces, um mehrere Wellenlängen und Polaritäten gleichzeitig zu detektieren. Die Technologie könnte in Plattformen wie Drohnen oder Satelliten eingesetzt werden, die keine externe Stromversorgung benötigen, und Anwendungen wie die landwirtschaftliche Überwachung unterstützen.

Mikkelsen fasste zusammen: „Die Fähigkeit, mehrere Frequenzen gleichzeitig zu detektieren, wird neue Möglichkeiten in Bereichen wie Krebsdiagnose, Lebensmittelsicherheit und Fernerkundung eröffnen. Obwohl die praktische Anwendung noch Zeit braucht, arbeiten wir in diese Richtung.“ Die Forschung wurde von der US Air Force Office of Scientific Research und der Gordon and Betty Moore Foundation finanziert.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Eunso Shin, Rachel E. Bangle, Nathaniel C. Wilson, Stefan B. Nikodemski, Jarrett H. Vella, Maiken H. Mikkelsen; Titel: „Record-breaking photodetector captures light in just 125 picoseconds“; veröffentlicht in: „Advanced Functional Materials“ (2025).