Ett internationellt team av forskare har utvecklat en mitten-infraröd spektrometer som är mindre än diametern på ett människohår.

Med potentiella tillämpningar som sträcker sig från att upptäcka växthusgaser till att göra självkörande fordon säkrare, det har funnits ett stort intresse de senaste åren för att utveckla kompakta, on-chip spektrometrar. Traditionella spektrometrar, som mäter ljusets spektrala information, är skrymmande och dyra. En on-chip spektrometer skulle avsevärt utöka applikationerna och tillgängligheten för tekniken.

Mot detta mål, ett team av forskare i USA, Israel, och Japan har utvecklat en ultrakompakt mellaninfraröd spektrometer. Arbetet är resultatet av ett samarbete mellan Fengnian Xias laboratorium, Barton L. Weller docent i teknik och vetenskap vid Yale University; Professor Doron Naveh vid Bar-Ilan University, Israel; Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science, Japan. Fynden publicerades nyligen i Naturfotonik .

Enheten innehåller svart fosfor (BP), ett material som länge har varit i fokus för Xia-labbet, för en spektrometer som är i drift vid ett våglängdsområde på 2 till 9 mikrometer, baserad på en enda inställbar fotodetektor. Materialet, som är cirka tio nanometer tjock, tillåter användare att ställa in ljus-materia-interaktionen för att fånga de olika spektralkomponenterna-en nyckel till enhetens framgång. Dessutom, en avancerad algoritm spelar en lika viktig roll i denna spektrometer, delvis förskjutning av den medfödda komplexiteten i spektroskopi från hårdvara till mjukvara.

Med en storlek på 9×16 kvadratmikrometer – mycket mindre än ett människohårs tvärsnitt – är spektrometerns dimensioner jämförbara med ljusets våglängd som den mäter. Även om det var möjligt att göra enheten mindre, det skulle inte visa mycket förbättring, eftersom ljus under vanliga förhållanden inte kan fokuseras på en punkt som är mycket mindre än dess våglängd, på grund av diffraktion.

"Det är mycket spännande att realisera en så högpresterande spektrometer med den ultimata kompaktheten, ", sa professor Doron Naveh vid Bar-Ilan University. "Vi förväntar oss att principen att utnyttja framsteg inom hårdvara och mjukvara samtidigt som visas i detta arbete kommer att leda till kommersiella tillämpningar inom medicin, jordbruk och livsmedelskvalitetskontroll."

Med konventionella spektrometrar, ljus delas upp av färgerna som utgör spektrumet.

"Denna spektrometer visar en fördel jämfört med konventionella ljusdelande spektrometrar eftersom ljuset inte behöver delas upp i olika delar rumsligt, sa Shaofan Yuan, en Ph.D. student i Xias labb, och huvudförfattare till studien.

Och till skillnad från konventionella spektrometrar, systemet är inte beroende av så avancerade optiska komponenter som interferometrar eller inställbara infraröda lasrar. Det öppnar möjligheten för en extrem miniatyrisering av spektrometrar och kan möjliggöra on-chip, prisvärd mellaninfraröd spektroskopi och spektral avbildning. Forskarna noterar att bilar, drönare, och satelliter är ofta utrustade med infraröda kameror som tar värmebilder i gråskala för att upptäcka fotgängare, fordon, och andra faror. Xia-labbets spektrometer har en potentiellt högre detekteringsförmåga för sådana potentiella hot eftersom den spektrala informationen kan mätas kontinuerligt, om än med måttlig upplösning. Dessutom, det kan också vara användbart vid fjärranalys.