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    I ricercatori realizzano uno spettrometro a infrarossi computazionale su chip ultracompatto

    Credito:Yale School of Engineering and Applied Science

    Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato uno spettrometro nel medio infrarosso più piccolo del diametro di un capello umano.

    Con potenziali applicazioni che vanno dal rilevamento dei gas serra al rendere più sicuri i veicoli a guida autonoma, c'è stato un grande interesse negli ultimi anni nello sviluppo di compact, spettrometri su chip. spettrometri tradizionali, che misurano le informazioni spettrali della luce, sono ingombranti e costosi. Uno spettrometro su chip amplierebbe notevolmente le applicazioni e l'accessibilità della tecnologia.

    Verso questo obiettivo, un team di ricercatori negli Stati Uniti, Israele, e il Giappone ha sviluppato uno spettrometro nel medio infrarosso ultracompatto. L'opera è il risultato di una collaborazione tra il laboratorio di Fengnian Xia, il Professore Associato Barton L. Weller in Ingegneria e Scienze alla Yale University; Professore Doron Naveh dell'Università Bar-Ilan, Israele; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali, Giappone. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Fotonica della natura .

    Il dispositivo incorpora fosforo nero (BP), un materiale che è stato a lungo al centro del laboratorio Xia, per uno spettrometro che è operativo a un intervallo di lunghezze d'onda da 2 a 9 micrometri, basato su un singolo fotorilevatore sintonizzabile. Il materiale, che ha uno spessore di una decina di nanometri, consente agli utenti di regolare l'interazione luce-materia per catturare i diversi componenti spettrali, una chiave per il successo del dispositivo. Inoltre, un algoritmo avanzato gioca un ruolo altrettanto importante in questo spettrometro, spostando in parte la complessità innata nella spettroscopia dall'hardware al software.

    Con una dimensione di 9×16 micrometri quadrati, molto più piccola della sezione trasversale di un capello umano, le dimensioni dello spettrometro sono paragonabili alla lunghezza d'onda della luce che misura. Anche se fosse possibile rendere il dispositivo più piccolo, non mostrerebbe molto miglioramento, poiché la luce in condizioni normali non può essere focalizzata su un punto molto più piccolo della sua lunghezza d'onda, dovuto alla diffrazione.

    "È molto eccitante realizzare uno spettrometro ad alte prestazioni con la massima compattezza, " ha affermato il Prof. Doron Naveh della Bar-Ilan University. "Ci aspettiamo che il principio di sfruttare simultaneamente i progressi nell'hardware e nel software, come mostrato in questo lavoro, porterà ad applicazioni commerciali in medicina, agricoltura e controllo della qualità degli alimenti".

    Con gli spettrometri convenzionali, la luce è scissa dai colori che compongono lo spettro.

    "Questo spettrometro mostra un vantaggio rispetto agli spettrometri a scissione della luce convenzionali perché la luce non ha bisogno di essere suddivisa in parti diverse spazialmente, " disse Shaofan Yuan, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Xia, e autore principale dello studio.

    E a differenza degli spettrometri convenzionali, il sistema non si basa su componenti ottici avanzati come interferometri o laser a infrarossi sintonizzabili. Ciò apre la possibilità per un'estrema miniaturizzazione degli spettrometri e potrebbe consentire su chip, spettroscopia nel medio infrarosso conveniente e imaging spettrale. I ricercatori osservano che le automobili, droni, e i satelliti sono spesso dotati di telecamere a infrarossi che acquisiscono immagini termiche in scala di grigi per rilevare i pedoni, veicoli, e altri pericoli. Lo spettrometro del laboratorio Xia ha una capacità di rilevamento potenzialmente maggiore per tali potenziali minacce poiché le informazioni spettrali possono essere misurate continuamente, anche se con moderata risoluzione. Inoltre, può essere utile anche nel telerilevamento.


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