Nový světelný senzor pracuje s až 200% účinností
Vědci vytvořili senzor, který převádí světlo na elektrický signál s ohromující 200% účinností. Tohoto zdánlivě nemožného čísla bylo dosaženo díky zvláštnosti kvantové fyziky. Taková je citlivost zařízení známého jako fotodioda, které by podle týmu, jenž za inovací stojí, mohlo být použito v technologii, která monitoruje životní funkce člověka (včetně srdečního tepu nebo rychlosti dýchání), aniž by se do těla cokoli vkládalo nebo připojovalo. Účinnost fotodiody se obvykle měří jako počet dostupných částic světla, které dokáže přeměnit na elektrické signály, jak píše server Science Alert.
V tomto případě vědci hovoří o něčem úzce souvisejícím, ale trochu specifičtějším: fotoelektronovém výtěžku neboli počtu elektronů generovaných fotony dopadajícími na senzor. Fotoelektronový výtěžek fotodiody je určen její kvantovou účinností – základní schopností materiálu produkovat částice nesoucí náboj na základní úrovni – spíše než množstvím vyrobené elektřiny. Nejde o konvenční energetickou účinnost, ve světě fotodiod je důležitá kvantová účinnost. Místo celkového množství sluneční energie je důležitý počet fotonů, které dioda přemění na elektrony.
Tým nejprve pracoval na zařízení, které kombinovalo dva typy solárních panelů – perovskitový a organický. Tím, že vědci poskládali články na sebe tak, aby světlo, které uniká z jedné vrstvy, bylo zachyceno další vrstvou, dosáhli kvantové účinnosti 70 %. Aby se toto číslo zvýšilo, bylo zavedeno další zelené světlo. Senzor byl také optimalizován, aby se zlepšila jeho schopnost filtrovat různé typy světla a nereagovat na žádné světlo. Tím se kvantová účinnost fotodiody dostala nad 200 procent, i když v této fázi není jasné, proč přesně k tomuto zvýšení došlo. Klíč by mohl spočívat ve způsobu, jakým fotodiody vyrábějí proud.
Fotony excitují elektrony v materiálu fotodiody, způsobují jejich migraci a vytvářejí náboj. Vědci předpokládají, že zelené světlo by mohlo na jedné vrstvě uvolňovat elektrony, které se změní v proud, až když fotony dopadnou na jinou vrstvu. Účinnější fotodioda je také citlivější – lépe dokáže pozorovat velmi malé změny světla z větší vzdálenosti. A zde se dostáváme na úroveň srdečního tepu a dýchání. Pomocí své supertenké fotodiody, která je stokrát tenčí než list novin, vědci měřili malé změny infračerveného světla odraženého od prstu ze vzdálenosti 130 centimetrů.
Ukázalo se, že to odpovídá krevnímu tlaku a srdeční frekvenci. Senzor chytrých hodinek dělá něco podobného, až na to, že v tomto případě pracuje i z druhé strany stolu. Pomocí podobného nastavení měřil tým dechovou frekvenci z nepatrných pohybů hrudníku. Pokud se technologii podaří úspěšně rozvinout z laboratorní fáze, bude použitelná pro nejrůznější monitorovací a lékařské účely. Výzkum byl publikován v časopise Science Advances.
Zdroj: redakce, sciencealert.com, science.org