Потратив годы на изучение передовых инфракрасных датчиков, группа китайских исследователей создала устройство, которое может быть использовано для создания сети наблюдения, более мощной и эффективной, чем предлагаемая система противоракетной обороны США, известная как «Золотой купол». (SCMP)
Китайская технология, которая способна обеспечивать беспрецедентную скорость обнаружения в 20 000 раз выше, чем обычная технология, была вдохновлена самым чувствительным тепловым искателем в природе – огненным жуком.
Технология инфракрасного зондирования жизненно важна для обнаружения объектов в сложных условиях, где дым, туман или пыль могут заслонять условия. Он обеспечивает четкое изображение и точное обнаружение, преодолевая эти препятствия, что делает его незаменимым для использования в военных и промышленных приложениях.
Биологические системы также способны воспринимать движение в сложных условиях с минимальной обработкой, что вдохновляет на создание новых конструкций для оптоэлектронных устройств.
Огненный жук, например, оснащен специализированным ямочным органом на грудной клетке, что позволяет насекомому обнаруживать слабое инфракрасное излучение от лесных пожаров на расстоянии в сотни километров даже при полете на высоких скоростях, что превосходит чувствительность большинства коммерческих инфракрасных детекторов.
Этот уникальный орган эволюционировал для размножения: остаточное тепло от лесных пожаров обеспечивает необходимые условия для того, чтобы личинки вылуплялись из своих толстостенных яиц, после чего питались обугленной корой деревьев.
Вдохновленные этим биологическим механизмом, профессора Ху Вэйда и Мяо Цзиньшуй и их команда из Шанхайского института технической физики Китайской академии наук в сотрудничестве с исследователями из Университета Тунцзи разработали новое высокоэффективное инфракрасное сенсорное устройство, способное обнаруживать, запоминать и распознавать быстро движущиеся инфракрасные цели в режиме реального времени.
Их выводы были опубликованы в рецензируемых журналах Nature Communications в июне и Light: Science & Applications в феврале.
Сначала команда сконструировала транзистор на основе комбинации диселенида палладия (PdSe₂) и пентацена для формирования гетероструктуры. PdSe₂, двумерный материал, обеспечивал высокое поглощение в среднем инфракрасном диапазоне, в то время как пентацен, органический полупроводник, имитировал биологические системы.
Прибор работал в среднем инфракрасном спектре 3-4,25 мкм и мог функционировать при интенсивности инцидента до 0,5 мВт/см², что приближалось к порогу физиологической чувствительности жуков-огнеедов.
Используя этот транзистор, команда разработала структуру резервуарных вычислений (RC), и, интегрировав массив из 4×4 устройств, они смогли определить направление движения пламени с точностью почти 95 процентов.
В смоделированных сценариях пожаров с температурой до 927 градусов по Цельсию (1700 по Фаренгейту) устройство показало стабильную реакцию и сохранение в памяти траекторий теплового излучения, подтвердив его потенциал для систем предупреждения о лесных пожарах, навигации ночного видения и промышленного мониторинга.
Во втором исследовании команда разработала гетероструктуру селенида черного фосфора/индия (BP/InSe), способную достигать фотонной памяти всего за 0,5 микросекунды — в 20 000 раз быстрее, чем обычное оптическое хранение.
При тестировании с имитацией инфракрасных целей система зафиксировала 17 различных характерных точек, по сравнению с традиционными устройствами, которые могли захватить только одну размытую точку.
По мнению авторов, эти технологии будут пригодны для мониторинга окружающей среды, военного наблюдения, автономного вождения и ночного видения.
Хотя конкретных примеров приведено не было, если бы устройства, использующие такие технологии, были развернуты в роях дронов или спутниковых группировках, они могли бы сформировать распределенную сеть инфракрасного наблюдения.
Чипы, вдохновленные огненными жуками, могут быть интегрированы в систему малой дальности противовоздушной обороны HQ-17AE для перехвата ракет в песчаных бурях или в ночных условиях, в то время как чипы, разработанные совместно с BP/InSe, могут усилить морскую лазерную защиту, такую как управление огнем для электромагнитных рельсотронов на китайском авианосце.
В мае президент США Дональд Трамп представил «Золотой купол» — многомиллиардную космическую систему противоракетной обороны. Щит следующего поколения будет включать в себя глобальную сеть инфракрасных спутников раннего предупреждения, оснащенных датчиками и перехватчиками, предназначенными для обнаружения и уничтожения различных ракетных угроз и стелс-технологий, уклоняющихся от радаров, до или во время их полета.
Тем не менее, система будет основана на традиционных кремниевых комплементарных датчиках металл-оксид-полупроводник, которые не смогут обеспечить скорость отклика, точность позиционирования и чувствительность устройств, которые могут быть изготовлены с использованием китайской технологии.
Исследователи заявили, что результаты обоих исследований могут преодолеть ограничения, вызванные традиционным аппаратным разделением датчиков и процессоров, значительно сократив задержку данных и энергопотребление.
«Интегрируя функции обнаружения, памяти и обработки, предлагаемая система значительно сократила задержки передачи данных и повысила эффективность обработки движения», — сказали они.
Кроме того, устройства отличаются низким напряжением, функцией работы при комнатной температуре и масштабируемым производством массивов, что делает их идеальными для приложений периферийных вычислений в беспилотных летательных аппаратах, автономных транспортных средствах и спутниковом дистанционном зондировании.
Чжан Тун
(в пересказе)
