I ricercatori della Duke University hanno dimostrato fotorivelatori che potrebbero abbracciare una gamma senza precedenti di frequenze luminose utilizzando filtri spettrali su chip creati da materiali elettromagnetici su misura. La combinazione di più fotorivelatori con diverse risposte in frequenza su un singolo chip potrebbe consentire un peso leggero, telecamere multispettrali economiche per applicazioni quali chirurgia oncologica, ispezione della sicurezza alimentare e agricoltura di precisione.

Una tipica fotocamera cattura solo la luce visibile, che è una piccola frazione dello spettro disponibile. Altre fotocamere potrebbero specializzarsi in lunghezze d'onda infrarosse o ultraviolette, Per esempio, ma pochi possono catturare la luce da punti disparati lungo lo spettro. E quelli che possono soffrire di una miriade di inconvenienti, come la fabbricazione complicata e inaffidabile, basse velocità funzionali, ingombro che può renderli difficili da trasportare, e costa fino a centinaia di migliaia di dollari.

Nella ricerca apparsa online il 25 novembre sulla rivista Materiali della natura , I ricercatori della Duke dimostrano un nuovo tipo di fotorilevatore ad ampio spettro che può essere implementato su un singolo chip, permettendogli di catturare un'immagine multispettrale in pochi trilionesimi di secondo e di essere prodotta per solo decine di dollari. La tecnologia si basa sulla fisica chiamata plasmonica, l'uso di fenomeni fisici su nanoscala per intrappolare determinate frequenze di luce.

"La luce intrappolata provoca un forte aumento della temperatura, che ci consente di utilizzare questi materiali fantastici ma quasi dimenticati chiamati piroelettrici, " disse Maiken Mikkelsen, James N. e Elizabeth H. Barton Professore Associato di Ingegneria Elettrica e Informatica alla Duke University. "Ma ora che li abbiamo rispolverati e li abbiamo combinati con una tecnologia all'avanguardia, siamo stati in grado di realizzare questi rilevatori incredibilmente veloci che possono anche rilevare la frequenza della luce in arrivo".

Secondo Mikkelsen, fotorivelatori commerciali sono stati realizzati con questi tipi di materiali piroelettrici prima, ma hanno sempre sofferto di due grossi inconvenienti. Non sono stati in grado di concentrarsi su frequenze elettromagnetiche specifiche, e gli spessi strati di materiale piroelettrico necessari per creare una quantità sufficiente di segnale elettrico li hanno fatti funzionare a velocità molto basse.

"Ma i nostri rilevatori plasmonici possono essere rivolti a qualsiasi frequenza e intrappolare così tanta energia da generare molto calore, " ha detto Jon Stewart, uno studente laureato nel laboratorio di Mikkelsen e primo autore della carta. "Questa efficienza significa che abbiamo bisogno solo di un sottile strato di materiale, che accelera notevolmente il processo."

Il precedente record di tempi di rilevamento in qualsiasi tipo di termocamera con filtro on-chip, indipendentemente dal fatto che utilizzi materiali piroelettrici o meno, era di 337 microsecondi. L'approccio basato sulla plasmonica di Mikkelsen ha generato un segnale in soli 700 picosecondi, che è circa 500, 000 volte più veloce. Ma poiché quei tempi di rilevamento erano limitati dagli strumenti sperimentali utilizzati per misurarli, i nuovi fotorivelatori potrebbero funzionare ancora più velocemente in futuro.

Per realizzare questo, Mikkelsen e il suo team hanno modellato cubi d'argento larghi appena un centinaio di nanometri e li hanno posizionati su una pellicola trasparente a pochi nanometri sopra un sottile strato d'oro. Quando la luce colpisce la superficie di un nanocubo, eccita gli elettroni dell'argento, intrappolando l'energia della luce, ma solo a una frequenza specifica.

La dimensione dei nanocubi d'argento e la loro distanza dallo strato di base dell'oro determinano quella frequenza, mentre la quantità di luce assorbita può essere regolata controllando la spaziatura tra le nanoparticelle. Adattando con precisione queste dimensioni e spaziature, i ricercatori possono fare in modo che il sistema risponda a qualsiasi frequenza elettromagnetica che desiderano.

Per sfruttare questo fenomeno fisico fondamentale per una fotocamera iperspettrale commerciale, i ricercatori avrebbero bisogno di modellare una griglia di minuscoli, rilevatori individuali, ognuno sintonizzato su una diversa frequenza di luce, in un "superpixel" più grande.

In un passo verso quella fine, il team mostra quattro fotorivelatori individuali su misura per lunghezze d'onda comprese tra 750 e 1900 nanometri. Le metasuperfici plasmoniche assorbono energia da specifiche frequenze di luce in arrivo e si riscaldano. Il calore induce un cambiamento nella struttura cristallina di un sottile strato di materiale piroelettrico chiamato nitruro di alluminio che si trova direttamente sotto di loro. Quel cambiamento strutturale crea una tensione, che viene poi letto da uno strato inferiore di un contatto a semiconduttore di silicio che trasmette il segnale a un computer per l'analisi.

"Non era affatto ovvio che potessimo farlo, ", ha affermato Mikkelsen. "È davvero sorprendente che non solo i nostri fotorivelatori funzionino, ma stiamo vedendo nuove, fenomeni fisici inaspettati che ci consentiranno di accelerare la velocità con cui possiamo eseguire questo rilevamento di molti ordini di grandezza".

Mikkelsen vede diversi potenziali usi per le fotocamere commerciali basate sulla tecnologia, perché il processo necessario per fabbricare questi fotorivelatori è relativamente veloce, economico e scalabile.

I chirurghi potrebbero utilizzare l'imaging multispettrale per distinguere tra tessuto canceroso e sano durante l'intervento chirurgico. Gli ispettori per la sicurezza alimentare e dell'acqua potrebbero usarlo per dire quando un petto di pollo è contaminato da batteri pericolosi.

Con il supporto di una nuova Moore Inventor Fellowship della Gordon and Betty Moore Foundation, Mikkelsen ha puntato sull'agricoltura di precisione come primo obiettivo. Mentre le piante possono sembrare solo verdi o marroni ad occhio nudo, la luce al di fuori dello spettro visibile che viene riflessa dalle loro foglie contiene una cornucopia di preziose informazioni.

"Ottenere un'"impronta digitale spettrale" può identificare con precisione un materiale e la sua composizione, " ha detto Mikkelsen. "Non solo può indicare il tipo di pianta, ma può anche determinarne la condizione, se ha bisogno di acqua, è stressato o ha un basso contenuto di azoto, indicando la necessità di fertilizzante. È davvero sorprendente quanto possiamo imparare sulle piante semplicemente studiando un'immagine spettrale di esse".

L'imaging iperspettrale potrebbe consentire un'agricoltura di precisione consentendo fertilizzanti, pesticidi, erbicidi e acqua da applicare solo dove necessario, risparmiando acqua e denaro e riducendo l'inquinamento. Immagina una telecamera iperspettrale montata su un drone che mappa le condizioni di un campo e trasmette tali informazioni a un trattore progettato per fornire fertilizzanti o pesticidi a velocità variabili attraverso i campi.

Si stima che il processo attualmente utilizzato per produrre fertilizzanti rappresenti fino al due percento del consumo energetico globale e fino al tre percento delle emissioni globali di anidride carbonica. Allo stesso tempo, i ricercatori stimano che dal 50 al 60 percento del fertilizzante prodotto venga sprecato. Contabilità per il solo fertilizzante, l'agricoltura di precisione ha un enorme potenziale per il risparmio energetico e la riduzione dei gas serra, per non parlare degli 8,5 miliardi di dollari stimati in risparmi sui costi diretti ogni anno, secondo il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti.

Diverse aziende stanno già portando avanti questo tipo di progetti. Per esempio, IBM sta pilotando un progetto in India utilizzando immagini satellitari per valutare le colture in questo modo. Questo approccio, però, è molto costoso e limitante, ecco perché Mikkelsen immagina un economico, rilevatore portatile in grado di visualizzare i campi coltivati ​​da terra o da droni economici.

"Immagina l'impatto non solo negli Stati Uniti, ma anche nei paesi a basso e medio reddito dove spesso mancano fertilizzanti e acqua, " ha detto Mikkelsen. "Sapendo dove applicare quelle scarse risorse, potremmo aumentare significativamente la resa del raccolto e contribuire a ridurre la fame".