В работе, которая когда-нибудь сможет превратить сотовые телефоны в датчики, способные обнаруживать вирусы и другие крохотные объекты, исследователи из Массачусетского технологического института построили на чипе мощный наноразмерный фонарик.
Их подход к разработке крошечного светового луча на кристалле также может быть использован для создания множества других нано-фонарей с разными характеристиками луча для различных приложений. Представьте себе широкий прожектор и луч света, сфокусированный на одной точке.
В течение многих десятилетий ученые использовали свет для идентификации материала, наблюдая, как этот свет взаимодействует с материалом. Они делают это, по сути, направляя луч света на материал, а затем анализируя этот свет после того, как он проходит через материал. Поскольку все материалы по-разному взаимодействуют со светом, анализ света, проходящего через материал, дает для этого материала своего рода «отпечаток пальца». Представьте, что это делается для нескольких цветов, то есть для нескольких длин волн света, и фиксируется взаимодействие света с материалом для каждого цвета. Это приведет к еще более подробному отпечатку пальца.
Большинство инструментов для этого, известных как спектрометры, относительно большие. Уменьшение их размеров имело бы ряд преимуществ. Например, они могут быть портативными и иметь дополнительные приложения (представьте себе футуристический сотовый телефон, оснащенный автономным датчиком для определенного газа). Однако, хотя исследователи добились больших успехов в миниатюризации сенсора для обнаружения и анализа света, прошедшего через данный материал, миниатюрный световой луч соответствующей формы — или фонарик — остается проблемой. Сегодня этот световой луч чаще всего обеспечивается оборудованием макроуровня, например, лазерной системой, которая не встроена в сам чип, как датчики.
В двух недавних статьях в Nature Scientific Reports исследователи описывают не только свой подход к разработке встроенных фонарей с различными характеристиками луча, но и сообщают о создании и успешном тестировании прототипа. Важно отметить, что они создали устройство с использованием существующих технологий производства, знакомых отрасли микроэлектроники, поэтому они уверены, что этот подход может быть развернут в массовом масштабе с более низкими затратами.
В целом, это может позволить промышленности создать полноценный датчик на кристалле с источником света и детектором. В результате работа представляет собой значительный прогресс в использовании кремниевой фотоники для управления световыми волнами на микрочипах для сенсорных приложений.
«Кремниевая фотоника обладает огромным потенциалом для улучшения и миниатюризации существующих схем лабораторного биодатчика. Нам просто нужны более разумные стратегии дизайна, чтобы полностью раскрыть его потенциал. Эта работа демонстрирует один из таких подходов », — говорит кандидат наук Робин Сингх SM ’18, ведущий автор обеих статей.
Ученые создали общий дизайн, используя несколько инструментов компьютерного моделирования. К ним относятся традиционные подходы, основанные на физике, связанной с распространением света и манипулированием им, и более передовые методы машинного обучения, в которых компьютер учат предсказывать потенциальные решения с использованием огромных объемов данных. «Если мы покажем компьютеру множество примеров нано-фонарей, он сможет научиться делать фонарики лучше», — говорит Энтони. В конечном итоге «мы можем сообщить компьютеру желаемый образец света, и он подскажет нам, какой должна быть конструкция фонарика».
У всех этих инструментов моделирования есть преимущества и недостатки; вместе они привели к окончательному, оптимальному дизайну, который можно адаптировать для создания фонарей с различными типами световых лучей.
Исследователи продолжили использовать эту конструкцию для создания специального фонарика с коллимированным лучом, или такого, в котором лучи света идеально параллельны друг другу. Коллимированные пучки являются ключевыми для некоторых типов датчиков. Общий фонарь, который сделали исследователи, включал около 500 прямоугольных наноразмерных структур разных размеров, которые, по прогнозам команды, позволят создать коллимированный луч. Наноструктуры разных размеров могут привести к получению различных видов лучей, которые, в свою очередь, являются ключевыми для других приложений.
Сработал крохотный фонарик с коллимированным лучом. Мало того, это обеспечило луч, который был в пять раз более мощным, чем это возможно в обычных конструкциях. Отчасти это потому, что «способность лучше контролировать свет означает, что меньше рассеивается и теряется», — говорит Агарвал.
Иллюстрация: Massachusetts Institute of Technology