I arbete som kan göra mobiltelefoner till sensorer som kan upptäcka virus och andra små objekt, MIT -forskare har byggt en kraftfull nanoskala ficklampa på ett chip.

Deras tillvägagångssätt för att designa den lilla ljusstrålen på ett chip kan också användas för att skapa en mängd andra nanoficklampor med olika strålegenskaper för olika applikationer. Tänk på en bred strålkastare kontra en ljusstråle fokuserad på en enda punkt.

Forskare har länge använt ljus för att identifiera ett material genom att observera hur det ljuset interagerar med materialet. De gör det genom att i huvudsak lysa en ljusstråle på materialet, analysera sedan det ljuset efter att det passerat genom materialet. Eftersom alla material interagerar med ljus på olika sätt, en analys av ljuset som passerar genom materialet ger ett slags "fingeravtryck" för det materialet. Tänk att göra detta för flera färger, dvs flera ljusets våglängder, och fånga ljusets interaktion med materialet för varje färg. Det skulle leda till ett fingeravtryck som är ännu mer detaljerat.

De flesta instrument för att göra detta, känd som spektrometrar, är relativt stora. Att göra dem mycket mindre skulle ha ett antal fördelar. Till exempel, de kan vara bärbara och ha ytterligare applikationer (tänk dig en futuristisk mobiltelefon laddad med en fristående sensor för en specifik gas). Dock, medan forskare har gjort stora framsteg mot miniatyrisering av sensorn för att detektera och analysera ljuset som har passerat genom ett givet material, en miniatyriserad och lämpligt formad ljusstråle - eller ficklampa - är fortfarande en utmaning. Idag tillhandahålls denna ljusstråle oftast av makroskalautrustning som ett lasersystem som inte är inbyggt i själva chipet som sensorerna är.

Komplett sensor

Ange MIT -arbetet. I två senaste tidningar i Naturvetenskapliga rapporter , teamet beskriver inte bara deras tillvägagångssätt för att designa on-chip ficklampor med en mängd olika strålegenskaper, de rapporterar också att de bygger och testar framgångsrikt en prototyp. Viktigt, de skapade enheten med hjälp av befintlig tillverkningsteknik som är känd för mikroelektronikindustrin, så de är övertygade om att tillvägagångssättet kan användas i massskala med den lägre kostnaden som innebär.

Övergripande, detta kan göra det möjligt för industrin att skapa en komplett sensor på ett chip med både ljuskälla och detektor. Som ett resultat, arbetet representerar ett betydande framsteg i användningen av kiselfotonik för manipulation av ljusvågor på mikrochips för sensorapplikationer.

"Detta arbete är viktigt, och representerar ett nytt paradigm för fotonisk enhetsdesign, möjliggör förbättringar i manipulation av optiska strålar, "säger Dawn Tan, en docent vid Singapore University of Technology and Design som inte var inblandad i forskningen.

"Kiselfotonik har så mycket potential att förbättra och miniatyrisera de befintliga biosenseringssystemen i bänkskala. Vi behöver bara smartare designstrategier för att utnyttja dess fulla potential. Detta arbete visar ett sådant tillvägagångssätt, säger Robin Singh, huvudförfattare till båda tidningarna. Singh fick MS (2018) och doktorsexamen (2020) från MIT, båda inom maskinteknik.

De högsta medförfattarna i den första tidningen är Anuradha Murthy Agarwal, en huvudforskare vid MIT:s materialforskningslaboratorium, och Brian W. Anthony, en huvudforskare vid MIT:s avdelning för maskinteknik. Singhs medförfattare i den andra tidningen är Agarwal; Anthony; Yuqi Nie, nu vid Princeton University; och Mingye Gao, doktorand vid MIT:s institution för elektroteknik och datavetenskap.

Hur de gjorde det

Singh och kollegor skapade sin övergripande design med hjälp av flera datormodelleringsverktyg. Dessa inkluderade konventionella tillvägagångssätt baserade på fysiken som är involverad i spridning och manipulation av ljus, och mer avancerade maskininlärningstekniker där datorn lärs att förutsäga potentiella lösningar med enorma mängder data. "Om vi ​​visar datorn många exempel på nanoficklampor, det kan lära sig att göra bättre ficklampor, "säger Anthony. Till sist, "Vi kan sedan berätta för datorn det ljusmönster som vi vill ha, och det kommer att berätta för oss vad ficklampans design behöver vara. "

Alla dessa modelleringsverktyg har fördelar och nackdelar; tillsammans resulterade de i en final, optimal design som kan anpassas för att skapa ficklampor med olika typer av ljusstrålar.

Forskarna använde den designen för att skapa en specifik ficklampa med en kollimerad stråle, eller en där ljusstrålarna är perfekt parallella med varandra. Kollimerade strålar är nyckeln till vissa typer av sensorer. Den övergripande ficklampan som forskarna gjorde involverade cirka 500 rektangulära nanoskala strukturer av olika dimensioner som teamets modellering förutspådde skulle möjliggöra en kollimerad stråle. Nanostrukturer av olika dimensioner skulle leda till olika typer av balkar som i sin tur är nyckeln till andra applikationer.

Den lilla ficklampan med en kollimerad stråle fungerade. Inte bara det, den gav en stråle som var fem gånger starkare än vad som är möjligt med konventionella strukturer. Det beror delvis på att "att kunna styra ljuset bättre betyder att mindre sprids och går förlorat, säger Agarwal.

Singh beskriver spänningen han kände när han skapade den första ficklampan. "Det var fantastiskt att se genom ett mikroskop vad jag hade designat på en dator. Sedan testade vi det, och det fungerade! "

Denna forskning stöddes delvis av MIT Skoltech Initiative.

Som huvudforskare vid Microphotonics Center och Initiative for Knowledge and Innovation in Manufacturing (IKIM), Agarwal erkänner sina kollegor för att de har tillhandahållit den bördiga intellektuella miljön för detta arbete.

Ytterligare MIT -anläggningar och avdelningar som gjorde detta arbete möjligt är Institutionen för materialvetenskap och teknik, materialforskningslaboratoriet, institutet för medicinsk teknik och vetenskap, och MIT.nano.