Tecnologia Científica

Pesquisadores fazem espectrômetro infravermelho computacional ultracompacto no chip
Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu um espectrômetro de infravermelho médio menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano.
Por Yale - 12/06/2021




Com aplicações potenciais que vão desde a detecção de gases de efeito estufa até tornar os veículos autônomos mais seguros, tem havido um grande interesse nos últimos anos no desenvolvimento de espectrômetros compactos no chip. Os espectrômetros tradicionais, que medem a informação espectral da luz, são volumosos e caros. Um espectrômetro no chip expandiria muito as aplicações e acessibilidade da tecnologia.  

Para atingir esse objetivo, uma equipe de pesquisadores nos Estados Unidos, Israel e Japão desenvolveu um espectrômetro ultracompacto no infravermelho médio. O trabalho é o resultado de uma colaboração entre o laboratório de Fengnian Xia, o Barton L. Weller Professor Associado em Engenharia e Ciência na Universidade de Yale; Professor Doron Naveh da Bar-Ilan University, Israel; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais, Japão. As descobertas foram publicadas recentemente na  Nature Photonics .  

O dispositivo incorpora fósforo preto (BP), um material que há muito tempo é o foco do laboratório Xia, para um espectrômetro que opera em uma faixa de comprimento de onda de 2 a 9 micrômetros, com base em um único fotodetector sintonizável. O material, que tem cerca de dez nanômetros de espessura, permite que os usuários sintonizem a interação luz-matéria para capturar os diferentes componentes espectrais - a chave para o sucesso do dispositivo. Além disso, um algoritmo avançado desempenha um papel igualmente importante neste espectrômetro, mudando parcialmente a complexidade inata da espectroscopia de hardware para software. 

Com um tamanho de 9 × 16 micrômetros quadrados - muito menor do que a seção transversal de um cabelo humano - as dimensões do espectrômetro são comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz que ele mede. Mesmo que fosse possível diminuir o tamanho do dispositivo, não haveria muita melhora, já que a luz em condições usuais não pode ser focada em um ponto muito menor que seu comprimento de onda, devido à difração.  

“Este espectrômetro mostra uma vantagem sobre os espectrômetros convencionais de divisão de luz porque a luz não precisa ser dividida em diferentes partes espacialmente”,

Shaofan Yuan

“É muito empolgante realizar um espectrômetro de alto desempenho com a compactação final”, disse o Prof. Doron Naveh, da Universidade Bar-Ilan. “Esperamos que o princípio de alavancar avanços em hardware e software simultaneamente, conforme mostrado neste trabalho, leve a aplicações comerciais em medicina, agricultura e controle de qualidade de alimentos.” 

Com espectrômetros convencionais, a luz é dividida pelas cores que compõem o espectro.

“Este espectrômetro mostra uma vantagem sobre os espectrômetros convencionais de divisão de luz porque a luz não precisa ser dividida em diferentes partes espacialmente”, disse Shaofan Yuan, um Ph.D. estudante no laboratório de Xia e principal autor do estudo. 

E, ao contrário dos espectrômetros convencionais, o sistema não depende de componentes ópticos avançados, como interferômetros ou lasers infravermelhos ajustáveis. Isso abre a possibilidade de uma extrema miniaturização de espectrômetros e pode permitir espectroscopia de infravermelho médio e imagens espectrais on-chip acessíveis. Os pesquisadores observam que automóveis, drones e satélites são frequentemente equipados com câmeras infravermelhas que capturam imagens térmicas em tons de cinza para detectar pedestres, veículos e outros perigos. O espectrômetro do laboratório Xia tem uma capacidade de detecção potencialmente maior para essas ameaças potenciais, uma vez que as informações espectrais podem ser medidas continuamente, embora com resolução moderada. Além disso, também pode ser útil no sensoriamento remoto.

 

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