Bilim adamları, kuantum fiziğinin çılgınlığıyla elde edilen görünüşte imkansız bir sayı olan yüzde 200’lük şaşırtıcı bir verimlilikle ışığı elektrik sinyaline dönüştüren bir sensör yarattılar. Fotodiyot olarak bilinen bir cihaz çok hassastır. İnovasyonun arkasındaki ekip, potansiyel olarak bir kişinin hayati belirtilerini (kalp atışı veya solunum hızı dahil) hiçbir şey sokmadan ve hatta vücuda takmadan izleyen teknolojide kullanılabileceğini söylüyor.
Bir fotodiyotun verimliliği genellikle elektrik sinyallerine dönüştürebildiği mevcut fotonların sayısıyla ölçülür. Burada bilim adamları yakından ilgili ama daha spesifik bir şeyden bahsediyorlar: fotoelektronların çıktısı veya bir sensöre çarpan fotonların ürettiği elektronların sayısı.
Bir fotodiyotun fotoelektronik çıktısı, üretilen elektrik enerjisi miktarıyla değil, kuantum verimliliğiyle (bir malzemenin temel düzeyde yük taşıyan parçacıklar üretme yeteneği) belirlenir. Hollanda’daki Eindhoven Teknoloji Üniversitesi’nden kimya mühendisi René Janssen, “Kulağa inanılmaz geliyor, ancak burada geleneksel enerji verimliliğinden bahsetmiyoruz” diyor. “Fotodiyot dünyasında önemli olan kuantum verimliliğidir. Toplam güneş enerjisi miktarı yerine, diyotun elektronlara dönüştürdüğü fotonların sayısı önemlidir.”
Başlangıç noktası olarak ekip, iki tür güneş pilini birleştiren bir cihaz üzerinde çalıştı: perovskit ve organik. Hücreleri, bir katman tarafından iletilen ışık diğer katman tarafından tutulacak şekilde düzenleyerek, araştırmacılar yüzde 70’lik bir kuantum verimliliği elde ettiler.
Bu sayıyı artırmak için ek yeşil ışıklar getirildi. Sensör, farklı ışık türlerini filtreleme ve ışığa hiç tepki vermeme yeteneğini geliştirmek için de değiştirildi. Bu, fotodiyotun kuantum verimliliğini yüzde 200’ün üzerine çıkardı, ancak şu anda bu artışın neden meydana geldiği tam olarak net değil.
İpucu, fotodiyotların nasıl akım ürettiğinde yatıyor olabilir. Fotonlar, fotodiyot materyalindeki elektronları uyararak onların göç etmesine ve bir yük oluşumuna neden olur.
Araştırmacılar, yeşil ışığın, yalnızca fotonlar diğer katmana çarptığında elektriğe dönüştürülen elektronları bir katmanda serbest bırakabileceğinden şüpheleniyorlar. Eindhoven Teknoloji Üniversitesi’nden kimya mühendisi Riccardo Ollearo, “Ekstra yeşil ışığın perovskite tabakasında elektron birikmesine yol açtığını düşünüyoruz” diyor. “Bu, kızılötesi fotonlar organik katman tarafından emildiğinde salınan bir şarj depolama cihazı görevi görür. Başka bir deyişle, içinden geçen ve bir elektrona dönüşen her kızılötesi foton, yüzde 200 veya daha fazla bir verimlilikle sonuçlanan bir bonus elektron arkadaşlığı alır.
Daha verimli bir fotodiyot, aydınlatmadaki çok küçük değişiklikleri daha uzak bir mesafeden gözlemlemede daha iyi olan daha hassas bir fotodiyottur. Bu bizi atan kalp ve solunum hızını ölçmeye geri getiriyor.
Araştırmacılar, bir gazete yaprağından yüz kat daha ince olan ultra ince fotodiyotlarını kullanarak, 130 santimetre (51,2 inç) mesafedeki bir parmaktan yansıyan kızılötesi ışıktaki küçük değişiklikleri ölçtüler. Bunun, bir akıllı saat sensörüne benzer şekilde, ancak bir masadan çalıştırılan kan basıncı ve kalp atış hızıyla eşleştiği gösterilmiştir.
Ekip, benzer bir kurulum kullanarak hafif göğüs hareketleri sırasında solunum hızını ölçtü. Teknoloji laboratuvar aşamasından itibaren başarılı bir şekilde geliştirilebilirse, burada her türlü sürveyans ve tıbbi amaçlar için potansiyel vardır. Janssen, “Cihazı daha da geliştirip geliştiremeyeceğimizi, örneğin daha hızlı hale getirip getiremeyeceğimizi görmek istiyoruz” diyor. “Cihazı klinik olarak test edip edemeyeceğimizi de görmek istiyoruz.”
Bu yazı Science Advances adresinden derlenmiştir.