Nel lavoro che potrebbe trasformare i telefoni cellulari in sensori in grado di rilevare virus e altri oggetti minuscoli, I ricercatori del MIT hanno costruito una potente torcia su nanoscala su un chip.

Il loro approccio alla progettazione del minuscolo raggio di luce su un chip potrebbe essere utilizzato anche per creare una varietà di altre nano torce con caratteristiche del raggio diverse per diverse applicazioni. Pensa a un ampio faretto rispetto a un raggio di luce focalizzato su un singolo punto.

Gli scienziati hanno usato a lungo la luce per identificare un materiale osservando come quella luce interagisce con il materiale. Lo fanno essenzialmente illuminando un raggio di luce sul materiale, quindi analizzando quella luce dopo che è passata attraverso il materiale. Poiché tutti i materiali interagiscono con la luce in modo diverso, un'analisi della luce che attraversa il materiale fornisce una sorta di "impronta digitale" per quel materiale. Immagina di farlo per diversi colori, cioè diverse lunghezze d'onda della luce, e catturare l'interazione della luce con il materiale per ogni colore. Ciò porterebbe a un'impronta digitale ancora più dettagliata.

La maggior parte degli strumenti per farlo, conosciuti come spettrometri, sono relativamente grandi. Renderli molto più piccoli avrebbe una serie di vantaggi. Per esempio, potrebbero essere portatili e avere applicazioni aggiuntive (immagina un telefono cellulare futuristico caricato con un sensore autonomo per un gas specifico). Però, mentre i ricercatori hanno fatto grandi passi avanti verso la miniaturizzazione del sensore per rilevare e analizzare la luce che è passata attraverso un determinato materiale, un raggio di luce (o torcia) miniaturizzato e opportunamente sagomato rimane una sfida. Oggi quel raggio di luce è più spesso fornito da apparecchiature su macroscala come un sistema laser che non è integrato nel chip stesso come lo sono i sensori.

Sensore completo

Inserisci il lavoro del MIT. In due recenti articoli in Rapporti scientifici sulla natura , il team descrive non solo il loro approccio alla progettazione di torce su chip con una varietà di caratteristiche del raggio, riferiscono anche di aver costruito e testato con successo un prototipo. È importante sottolineare che hanno creato il dispositivo utilizzando tecnologie di fabbricazione esistenti familiari all'industria della microelettronica, quindi sono fiduciosi che l'approccio potrebbe essere implementabile su larga scala con il minor costo che ciò implica.

Globale, ciò potrebbe consentire all'industria di creare un sensore completo su un chip con sorgente luminosa e rilevatore. Di conseguenza, il lavoro rappresenta un progresso significativo nell'uso della fotonica del silicio per la manipolazione delle onde luminose su microchip per applicazioni di sensori.

"Questo lavoro è significativo, e rappresenta un nuovo paradigma di progettazione di dispositivi fotonici, consentendo miglioramenti nella manipolazione dei fasci ottici, "dice Alba Tan, un professore associato presso la Singapore University of Technology and Design che non è stato coinvolto nella ricerca.

"La fotonica del silicio ha così tanto potenziale per migliorare e miniaturizzare gli schemi di biorilevamento su scala di banco esistenti. Abbiamo solo bisogno di strategie di progettazione più intelligenti per sfruttarne appieno il potenziale. Questo lavoro mostra un approccio di questo tipo, "dice Robin Singh, autore principale di entrambi gli articoli. Singh ha ricevuto il MS (2018) e il dottorato di ricerca. (2020) dal MIT, sia in ingegneria meccanica.

I coautori senior del primo articolo sono Anuradha Murthy Agarwal, un ricercatore principale nel laboratorio di ricerca sui materiali del MIT, e Brian W. Anthony, uno dei principali ricercatori nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. I coautori di Singh sul secondo articolo sono Agarwal; Antonio; Yuqi Nie, ora alla Princeton University; e Mingy Gao, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT.

Come lo hanno fatto?

Singh e colleghi hanno creato il loro progetto generale utilizzando più strumenti di modellazione al computer. Questi includevano approcci convenzionali basati sulla fisica coinvolta nella propagazione e manipolazione della luce, e tecniche di apprendimento automatico più all'avanguardia in cui al computer viene insegnato a prevedere potenziali soluzioni utilizzando enormi quantità di dati. "Se mostriamo al computer molti esempi di nano torce, può imparare a creare torce migliori, " dice Anthony. Alla fine, "possiamo quindi dire al computer il modello di luce che vogliamo, e ci dirà quale deve essere il design della torcia."

Tutti questi strumenti di modellazione presentano vantaggi e svantaggi; insieme hanno portato a una finale, design ottimale che può essere adattato per creare torce con diversi tipi di fasci di luce.

I ricercatori hanno continuato a utilizzare quel progetto per creare una torcia specifica con un raggio collimato, o uno in cui i raggi di luce sono perfettamente paralleli tra loro. I fasci collimati sono fondamentali per alcuni tipi di sensori. La torcia complessiva che i ricercatori hanno realizzato coinvolgeva circa 500 strutture rettangolari in nanoscala di diverse dimensioni che secondo la modellazione del team avrebbero consentito un raggio collimato. Nanostrutture di diverse dimensioni porterebbero a diversi tipi di travi che a loro volta sono fondamentali per altre applicazioni.

La minuscola torcia con un raggio collimato funzionava. Non solo quello, forniva un raggio cinque volte più potente di quanto fosse possibile con le strutture convenzionali. Ciò è in parte dovuto al fatto che "essere in grado di controllare meglio la luce significa che meno viene dispersa e persa, "dice Agarwal.

Singh descrive l'eccitazione che ha provato nel creare quella prima torcia. "È stato fantastico vedere attraverso un microscopio ciò che avevo progettato su un computer. Poi l'abbiamo testato, e ha funzionato!"

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla MIT Skoltech Initiative.

In qualità di Principal Research Scientist presso il Centro di microfotonica e l'Iniziativa per la conoscenza e l'innovazione nella produzione (IKIM), Agarwal riconosce i suoi colleghi per aver fornito il fertile ambiente intellettuale per questo lavoro.

Ulteriori strutture e dipartimenti del MIT che hanno reso possibile questo lavoro sono il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, il Laboratorio di Ricerca sui Materiali, l'Istituto per l'ingegneria medica e la scienza, e MIT.nano.