Надеясь превратить сотовые телефоны в сенсоры, способные обнаруживать вирусы и другие крошечные объекты, исследователи Массачусетского технологического института создали мощный наноразмерный фонарик на чипе.
Их подход к проектированию крошечного светового луча на чипе также может быть использован для создания множества других нанофонариков с различными характеристиками для различных применений. Широкий прожектор иногда не так эффективен, как луч света, сфокусированный на одной точке.
В течение многих десятилетий ученые использовали свет для идентификации материала, наблюдая, как он взаимодействует с веществом. Они делают это, направляя луч света на объект, а затем анализируя его спектр после того, как он проходит через материал. Поскольку все материалы взаимодействуют со светом по-разному, анализ луча, проходящего через материал, дает своего рода “отпечаток пальца” для этого материала. Представьте себе, что вы делаете это для нескольких цветов — то есть для нескольких длин волн света — и фиксируете взаимодействие света с материалом для каждого цвета. Тогда «отпечаток пальца» был бы еще более детальным.
Большинство приборов для этого, известных как спектрометры, относительно массивные. Если сделать их намного меньше, это будет иметь ряд преимуществ. Например, они могут быть портативными и иметь дополнительные приложения (представьте себе футуристический сотовый телефон с загруженным автономным датчиком для конкретного газа). Однако, в то время как исследователи добились больших успехов в миниатюризации датчика для обнаружения и анализа света, прошедшего через данный материал, миниатюризированный и соответствующий форме световой луч — или фонарик — остается сложной задачей. Сегодня этот световой луч чаще всего обеспечивается макромасштабным оборудованием, таким как лазерная система, которая не встроена в сам чип, как датчики.
Полный датчик
Оцените работу MIT. В двух последних статьях в Nature Scientific Reports исследователи описывают не только свой подход к проектированию встроенных фонарей с различными характеристиками луча, но и сообщают о создании и успешном испытании прототипа. Важно отметить, что они создали устройство с использованием существующих технологий изготовления, известных в микроэлектронной промышленности, поэтому они уверены, что этот подход может быть развернут в массовом масштабе с меньшими затратами, которые это подразумевает.
В целом это дает шанс создать полный датчик на чипе как с источником света, так и с детектором. В результате работа представляет собой значительный прогресс в использовании кремниевой фотоники для манипулирования световыми волнами на микрочипах для сенсорных приложений.
“Кремниевая фотоника обладает огромным потенциалом для улучшения и миниатюризации существующих схем биосенсинга в настольном масштабе. Нам просто нужны более умные стратегии проектирования, чтобы использовать весь его потенциал. Эта работа демонстрирует один из таких подходов”, — говорит кандидат философии Робин Сингх (Robin Singh), который стал ведущим автором обеих работ.
“Эта работа является значительной и представляет собой новую парадигму проектирования фотонных устройств, позволяющую улучшить манипуляцию оптическими лучами”, — говорит доцент Сингапурского университета технологий и дизайна Даун Тан (Dawn Tan), который не участвовал в исследованиях.
Старшими соавторами первой статьи являются Анурада “Ану” Мерти Агарвал (Anuradha “Anu” Murthy Agarwal), главный научный сотрудник Лаборатории исследований материалов, Центра микрофотоники и Инициативы в области знаний и инноваций в производстве; и Брайан У. Энтони (Brian W. Anthony), главный научный сотрудник Отдела машиностроения MIT. Соавторами Сингха во второй статье являются Агарвал, Энтони, Юки Не (Yuqi Nie), ныне работающий в Принстонском университете, и Минье Гао (Mingye Gao), аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института.
Как они это сделали
Сингх и его коллеги создали свой общий дизайн, используя множество инструментов компьютерного моделирования. Они включали в себя традиционные подходы, основанные на физике, связанной с распространением и манипулированием светом, и более передовые методы машинного обучения, в которых компьютер учат предсказывать потенциальные решения, используя огромные объемы данных. “Если мы покажем компьютеру много примеров нанофонариков, он сможет научиться делать лучшие фонарики, — говорит Энтони. — В конечном счете мы можем затем сказать компьютеру образец света, который мы хотим, и он скажет нам, каким должен быть дизайн фонарика”.
Все эти инструменты моделирования имеют свои преимущества и недостатки; вместе они привели к окончательному, оптимальному дизайну, который может быть адаптирован для создания фонарей с различными видами световых лучей.
Затем исследователи использовали эту конструкцию для создания специального фонаря с коллимированным лучом, или такого, в котором лучи света идеально параллельны друг другу. Коллимированные лучи являются ключевыми для некоторых типов датчиков. Общий фонарик, который сделали исследователи, включал около 500 прямоугольных наноразмерных структур различных размеров, которые, как предсказало моделирование команды, позволят коллимировать луч. Наноструктуры различных размеров привели бы к различным видам пучков, которые, в свою очередь, являются ключевыми для других применений.
Крошечный фонарик с коллимированным лучом работал. Мало того, он обеспечивал луч, который был в пять раз мощнее, чем это возможно с обычными конструкциями. Это отчасти потому, что “способность лучше контролировать свет означает, что меньше рассеивается и теряется”, — говорит Агарвал.
Сингх описывает волнение, которое он испытал при создании первого фонарика. “Было здорово увидеть через микроскоп то, что я спроектировал на компьютере. Потом мы проверили его, и он сработал!”
Это исследование было частично поддержано Инициативой Сколтеха Массачусетского технологического института.
Дополнительные отделы MIT, которые сделали эту работу возможной, — Отдел материаловедения и инженерии, Лаборатория исследований материалов, Институт медицинской техники и науки и MIT.nano.
Источник: https://news.mit.edu/2021/nano-flashlight-enables-new-applications-light-0504