Ученые, в том числе исследователь материалов из Орегонского государственного университета, разработали более совершенный инструмент для измерения света, внося свой вклад в область, известную как оптическая спектрометрия, таким образом, чтобы улучшить все, от камер смартфонов до мониторинга окружающей среды.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Science, было проведено под руководством финского Университета Аалто и привело к созданию мощного сверхмаленького спектрометра , который умещается на микрочипе и управляется с помощью искусственного интеллекта.

В исследовании участвовал сравнительно новый класс сверхтонких материалов, известных как двумерные полупроводники, и результатом стало доказательство концепции спектрометра, который можно было бы легко внедрить в различные технологии, включая платформы для контроля качества, датчики безопасности, биомедицинские устройства. анализаторы и космические телескопы.

«Мы продемонстрировали способ создания гораздо более миниатюрных спектрометров, чем те, которые обычно используются сегодня», — сказал Итан Майнот, профессор физики в Колледже наук ОГУ. «Спектрометры измеряют силу света на разных длинах волн и очень полезны во многих отраслях промышленности и во всех областях науки для идентификации образцов и характеристики материалов».

По словам Майнота, традиционные спектрометры требуют громоздких оптических и механических компонентов, тогда как новое устройство может поместиться на кончике человеческого волоса. Новое исследование предполагает, что эти компоненты могут быть заменены новыми полупроводниковыми материалами и искусственным интеллектом, что позволит значительно уменьшить размеры спектрометров по сравнению с самыми маленькими, размером с виноградину.

«Наш спектрометр не требует сборки отдельных оптических и механических компонентов или конструкции матрицы для рассеивания и фильтрации света», — сказал Хун Хан Юн, который руководил исследованием вместе с коллегой из Университета Аалто Чжипей Сун Юн. «Более того, он может достигать высокого разрешения, сравнимого с настольными системами, но при гораздо меньших размерах».

Исследователи говорят, что устройство на 100% электрически управляемо в отношении цветов света, которое оно поглощает, что дает ему огромный потенциал для масштабируемости и широкого использования.

«Интеграция его непосредственно в портативные устройства , такие как смартфоны и дроны, может улучшить нашу повседневную жизнь», — сказал Юн. «Представьте, что следующим поколением наших камер для смартфонов могут быть гиперспектральные камеры».

Эти гиперспектральные камеры могут захватывать и анализировать информацию не только в видимом диапазоне длин волн, но также позволяют получать и анализировать инфракрасные изображения.

«Удивительно, что наш спектрометр открывает возможности для всевозможных новых повседневных гаджетов, а также инструментов для новых научных исследований», — сказал Майнот.

В медицине, например, спектрометры уже тестируются на их способность выявлять тонкие изменения в тканях человека, такие как различие между опухолями и здоровыми тканями.

Для мониторинга окружающей среды , добавил Майнот, спектрометры могут точно определить, какое загрязнение находится в воздухе, воде или земле, и сколько его там.

«Было бы неплохо иметь недорогие портативные спектрометры, которые выполняли бы эту работу за нас», — сказал он. «А в образовательной среде практическое преподавание научных концепций было бы более эффективным с помощью недорогих компактных спектрометров».

По словам Майнота, существует множество приложений и для любителей, ориентированных на науку.

«Если вы увлекаетесь астрономией, вам может быть интересно измерить спектр света, который вы собираете с помощью своего телескопа, и получить эту информацию для идентификации звезды или планеты», — сказал он. «Если геология — ваше хобби, вы можете идентифицировать драгоценные камни, измеряя спектр света, который они поглощают».

Майнот считает, что по мере продвижения работы с двумерными полупроводниками «мы будем быстро открывать новые способы использования их новых оптических и электронных свойств». Исследования 2D-полупроводников всерьез ведутся всего лишь десяток лет, начиная с изучения графена, углерода, расположенного в сотовой решетке толщиной в один атом.

«Это действительно захватывающе», — сказал Майнот. «Я верю, что мы продолжим делать интересные прорывы, изучая двумерные полупроводники».