ETH -forskare har utvecklat en kompakt infraröd spektrometer. Det är tillräckligt litet för att passa på ett datorchip men kan fortfarande öppna upp intressanta möjligheter - i rymden och i vardagen.

Nu för tiden, en mobiltelefon kan göra nästan vad som helst:ta foton eller video, skicka meddelanden, bestämma dess nuvarande plats, och naturligtvis sända telefonsamtal. Med dessa mångsidiga enheter, det kan till och med vara möjligt att fastställa en öls alkoholhalt eller hur mogen en fruktbit är.

Vid första ögonkastet, tanken på att använda mobiltelefoner för kemiska analyser verkar vara vågad. Trots allt, de infraröda spektrometrar som används för sådana analyser idag väger i allmänhet flera kilo och är svåra att integrera i en handhållen enhet. Nu har forskare vid ETH Zürich tagit ett viktigt steg mot att förvandla denna vision till verklighet. David Pohl och Marc Reig Escalé, i gruppen som leds av Rachel Grange, Professor i optiska nanomaterial vid institutionen för fysik, samarbetade med andra kollegor för att utveckla ett chip på cirka 2 kvadratcentimeter i storlek. Med det, de kan analysera infrarött ljus på samma sätt som med en konventionell spektrometer.

Vågledare istället för speglar

En konventionell spektrometer delar det infallande ljuset i två banor innan det reflekteras av två speglar. De reflekterade ljusstrålarna rekombineras och mäts med en fotodetektor. Att flytta en av speglarna skapar ett störningsmönster, som kan användas för att bestämma andelen olika våglängder i den inkommande signalen. Eftersom kemiska ämnen skapar karakteristiska luckor i det infraröda spektrumet, forskare kan använda de resulterande mönstren för att identifiera vilka ämnen som förekommer i testprovet och i vilken koncentration.

Samma princip ligger bakom minispektrometern som utvecklats av ETH-forskarna. Dock, i deras enhet, det infallande ljuset analyseras inte längre med hjälp av rörliga speglar; istället, den använder sig av speciella vågledare med ett optiskt brytningsindex som kan justeras externt via ett elektriskt fält. "Att variera brytningsindexet har en effekt som liknar vad som händer när vi flyttar speglarna, "Pohl förklarar, "så den här uppställningen låter oss sprida spektrumet av det infallande ljuset på samma sätt."

En utmanande struktureringsprocess

Beroende på hur vågledaren är konfigurerad, forskare kan undersöka olika delar av ljusspektrumet. "I teorin, vår spektrometer låter dig mäta inte bara infrarött ljus, men också synligt ljus, förutsatt att vågledaren är korrekt konfigurerad, "Säger Escalé. I motsats till andra integrerade spektrometrar som endast kan täcka ett smalt område av ljusspektrumet, enheten som utvecklats av Granges grupp har en stor fördel genom att den enkelt kan analysera en bred del av spektrumet.

Förutom sin kompakta storlek, ETH -fysikernas innovation erbjuder två andra fördelar:"spektrometern på ett chip" måste bara kalibreras en gång, jämfört med konventionella enheter som behöver omkalibreras om och om igen; och eftersom den inte innehåller några rörliga delar, det kräver mindre underhåll.

För deras spektrometer, ETH -forskarna använde ett material som också används som en modulator inom telekommunikationsindustrin. Detta material har många positiva egenskaper, men som en vågledare, det begränsar ljuset till insidan. Detta är mindre än idealiskt, som en mätning är endast möjlig om en del av det guidade ljuset kan komma ut. Av denna anledning, forskarna fäst känsliga metallstrukturer på vågledarna som sprider ljuset till enhetens utsida. "Det krävde mycket arbete i renrummet tills vi kunde strukturera materialet som vi ville, "Förklarar Grange.

Perfekt för rymden

Tills den nuvarande minispektrometern faktiskt kan integreras i en mobil eller annan elektronisk enhet, dock, det finns fortfarande vissa tekniska framsteg att göra. "För närvarande mäter vi signalen med en extern kamera, "Grange säger, "så om vi vill ha en kompakt enhet, Vi måste integrera detta också. "

Ursprungligen siktade fysikerna på, inte vid kemiska analyser, men i en helt annan tillämpning:inom astronomi, infraröda spektrometrar ger värdefull information om avlägsna himmelska föremål. Eftersom jordens atmosfär absorberar en stor mängd infrarött ljus, det skulle vara perfekt att placera dessa instrument på satelliter eller teleskop i rymden. En kompakt, lätt och stabil mätanordning som kan lanseras i rymden relativt billigt skulle naturligtvis ge en betydande fördel.