Aallon valoanturilla huikea hyötysuhde

Aalto-yliopistossa kehitetty musta valoanturi on ylittänyt ensimmäisenä maailmassa 100 prosentin hyötysuhteen. Ennätystulos on vahvistettu Euroopan tarkimmista mittauksista vastaavassa Saksan kansallisessa metrologian instituutissa PTB:ssä. 

Aallosta ponnistanut ElFys Oy toimittaa jo ennätysantureita prosessiteollisuudelle.

”Herkille UV-valomittareille on kysyntää esimerkiksi biotekniikan sovelluksissa ja teollisuusprosessien valvonnassa”, sanoo tiedotteessa Elfys Oy:n toimitusjohtaja TkT Mikko Juntunen.

Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä, mustaan piihin pohjautuva UV-valoanturi saavutti yli 130 prosentin hyötysuhteen ja ylitti 100 prosentin rajan, jota on pidetty ulkoisen kvanttihyötysuhteen teoreettisena maksimina.

Aalto-yliopisto tiedotti asiasta 13.8.

”Tulos oli niin hyvä, ettemme itsekään meinanneet ensin uskoa sitä. Siksi päätimme heti, että se pitää saada vahvistettua riippumattomilla mittauksilla”, sanoo Elektronifysiikan tutkimusryhmää vetävä professori Hele Savin.

Mittaukset suoritti Saksan kansallinen metrologian instituutti, Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB, joka vastaa muun muassa metrijärjestelmän määritelmistä ja sen valvonnasta.

“Mittaustulokset nähtyäni tajusin, että kyseessä oli merkittävä läpimurto – ja samalla myös tervetullut edistysaskel meille herkistä sensoreista unelmoiville metrologeille”, sanoo Lutz Werner, PTB:n säteilyilmaisinlaboratorion johtaja.

Ainutlaatuinen nanorakenne

100 prosentin ulkoisessa kvanttihyötysuhteessa jokaisesta fotonista saadaan talteen yksi elektroni. 130 prosentin hyötysuhteessa jokaisesta fotonista saadaankin ulkoiseen virtapiiriin keskimäärin 1,3 elektronia.

Tutkijat osoittivat, että suuren ulkoisen kvanttihyötysuhteen salaisuus on niin sanottu korkeaenergisten fotonien aiheuttama elektronien monistuminen, joka tapahtuu mustasta piistä tehtyjen nanorakenteiden sisällä. Ilmiötä ei ole aiemmin havaittu kokeellisesti, sillä tavallisesti erilaiset optiset ja sähköiset häviömekanismit ovat peittäneet sen alleen.

”Käyttämämme häviöttömän nanorakenteen ansiosta signaalin vahvistusta ei tarvita, vaan kaikki monistuneet elektronit saadaan onnistuneesti talteen ilman erillistä ulkoista sähkökenttää”, Savin sanoo.

Käytännössä ennätyshyötysuhde tarkoittaa ennätysherkkiä antureita, jotka parantavat merkittävästi minkä tahansa valon mittaamista hyödyntävän laitteen suorituskykyä. Valon mittaamista hyödynnetään jo nyt laajasti esimerkiksi autoissa, matkapuhelimissa, älykelloissa ja lääketeknologian laitteissa.