Gli spettrometri, dispositivi che distinguono diverse lunghezze d'onda della luce e vengono utilizzati per determinare la composizione chimica di qualsiasi cosa, dai materiali di laboratorio alle stelle lontane, sono dispositivi di grandi dimensioni con cartellini del prezzo a sei cifre, e tendono a trovarsi in grandi laboratori o osservatori universitari e industriali.

Un nuovo progresso dei ricercatori del MIT potrebbe rendere possibile la produzione di minuscoli spettrometri altrettanto precisi e potenti, ma che potrebbero essere prodotti in serie utilizzando processi standard di produzione di chip. Questo approccio potrebbe aprire nuovi usi per la spettrometria che in precedenza sarebbero stati fisicamente e finanziariamente impossibili.

L'invenzione è descritta oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo del professore associato di scienza e ingegneria dei materiali del MIT Juejun Hu, dottorando Derek Kita, assistente di ricerca Brando Miranda, e altri cinque.

I ricercatori affermano che questo nuovo approccio alla realizzazione di spettrometri su un chip potrebbe fornire importanti vantaggi in termini di prestazioni, dimensione, il peso, e consumo di energia, rispetto agli strumenti attuali.

Altri gruppi hanno provato a realizzare spettrometri basati su chip, ma c'è una sfida intrinseca:la capacità di un dispositivo di diffondere la luce in base alla sua lunghezza d'onda, utilizzando qualsiasi sistema ottico convenzionale, dipende fortemente dalle dimensioni del dispositivo. "Se lo rimpicciolisci, le prestazioni si degradano, " dice Hu.

Un altro tipo di spettrometro utilizza un approccio matematico chiamato trasformata di Fourier. Ma questi dispositivi sono ancora limitati dallo stesso vincolo di dimensione:lunghi percorsi ottici sono essenziali per ottenere prestazioni elevate. Poiché i dispositivi ad alte prestazioni richiedono tempi lunghi, lunghezze del percorso ottico sintonizzabili, gli spettrometri miniaturizzati sono stati tradizionalmente inferiori rispetto alle loro controparti da banco.

Anziché, "abbiamo usato una tecnica diversa, " dice Kita. Il loro sistema è basato su interruttori ottici, che può capovolgere istantaneamente un raggio di luce tra i diversi percorsi ottici, che possono essere di diverse lunghezze. Questi interruttori ottici completamente elettronici eliminano la necessità di specchi mobili, che sono richiesti nelle versioni attuali, e può essere facilmente fabbricato utilizzando la tecnologia di produzione di chip standard.

Eliminando le parti in movimento, Kita dice, "c'è un enorme vantaggio in termini di robustezza. Potresti lasciarlo cadere dal tavolo senza causare alcun danno."

Utilizzando le lunghezze del percorso in incrementi di potenza di due, queste lunghezze possono essere combinate in modi diversi per replicare un numero esponenziale di lunghezze discrete, portando così a una potenziale risoluzione spettrale che aumenta esponenzialmente con il numero di interruttori ottici on-chip. È lo stesso principio che consente a una bilancia di misurare con precisione un'ampia gamma di pesi combinando solo un piccolo numero di pesi standard.

Come prova del concetto, i ricercatori hanno contratto un servizio di produzione di semiconduttori standard del settore per costruire un dispositivo con sei interruttori sequenziali, producendo 64 canali spettrali, con capacità di elaborazione integrata per controllare il dispositivo ed elaborarne l'output. Espandendo a 10 switch, la risoluzione salterebbe a 1, 024 canali. Hanno progettato il dispositivo come un'unità plug-and-play che potrebbe essere facilmente integrata con le reti ottiche esistenti.

Il team ha anche utilizzato nuove tecniche di apprendimento automatico per ricostruire spettri dettagliati da un numero limitato di canali. Il metodo che hanno sviluppato funziona bene per rilevare picchi spettrali sia ampi che stretti, dice Kita. Sono stati in grado di dimostrare che le sue prestazioni corrispondevano effettivamente ai calcoli, e quindi apre una vasta gamma di potenziali ulteriori sviluppi per varie applicazioni.

I ricercatori affermano che tali spettrometri potrebbero trovare applicazioni nei dispositivi di rilevamento, sistemi di analisi dei materiali, tomografia ottica coerente nell'imaging medico, e monitorare le prestazioni delle reti ottiche, su cui si basano la maggior parte delle reti digitali odierne. Già, il team è stato contattato da alcune aziende interessate a possibili utilizzi di tali spettrometri a microchip, con la loro promessa di enormi vantaggi in termini di dimensioni, il peso, e consumo di energia, dice Kita. There is also interest in applications for real-time monitoring of industrial processes, Hu adds, as well as for environmental sensing for industries such as oil and gas.