Geckos och många andra djur har huvuden som är för små för att triangulera platsen för ljud som vi gör, med stora öron. Istället, de har en liten tunnel genom sina huvuden som mäter hur inkommande ljudvågor studsar runt för att ta reda på varifrån de kom.

Inför sitt eget problem med liten storlek och triangulering, forskare från Stanford University har kommit fram till ett liknande system för att detektera vinkeln på inkommande ljus. Ett sådant system kan låta små kameror upptäcka varifrån ljus kommer, men utan huvuddelen av en stor lins.

"Att göra en liten pixel på din fotokamera som säger att ljus kommer från det eller det hållet är svårt eftersom, helst, pixlarna är väldigt små – idag ungefär 1/100 av ett hårstrå, sa Mark Brongersma, professor i materialvetenskap och teknik som är seniorförfattare till en artikel om detta system, publicerad 29 oktober in Naturens nanoteknik . "Så det är som att ha två ögon väldigt nära varandra och försöka korsa dem för att se var ljuset kommer ifrån."

Dessa forskare arbetar med små detektorer som kan registrera många egenskaper hos ljus, inklusive färg, polaritet och, nu, ljusvinkel. Så vitt de vet, systemet de har beskrivit i det här dokumentet är det första som visar att det är möjligt att bestämma ljusvinkeln med en så liten inställning.

"Det typiska sättet att bestämma ljusets riktning är att använda en lins. Men de är stora och det finns inga jämförbara mekanismer när du krymper en enhet så den är mindre än de flesta bakterier, sa Shanhui Fan, professor i elektroteknik, som är medförfattare på tidningen.

Mer detaljerad ljusdetektering kan stödja framsteg inom objektivfria kameror, förstärkt verklighet och robotsyn, vilket är viktigt för autonoma bilar.

Från atomer till geckos

Om ett ljud inte kommer direkt från toppen av gecko, den ena trumhinnan stjäl i huvudsak en del av ljudvågsenergin som annars skulle gå igenom till den andra. Denna slutledning hjälper gecko – och cirka 15, 000 andra djurarter med en liknande tunnel – förstå var ett ljud kommer ifrån.

Forskarna härmar denna struktur i sin fotodetektor genom att ha två nanotrådar av kisel – var och en cirka 100 nanometer i diameter eller cirka 1/1000:e så bred som ett hårstrå – uppradade bredvid varandra, som geckos trumhinnor. De är placerade så nära att när en ljusvåg kommer in i en vinkel, tråden närmast ljuskällan stör vågorna som slår mot sin granne, i princip kastar en skugga. Den första tråden som upptäcker ljuset skulle då skicka den starkaste strömmen. Genom att jämföra strömmen i båda ledningarna, forskarna kan kartlägga vinkeln på inkommande ljusvågor.

Geckos var inte inspirationen för den första konstruktionen av detta system. Soongyu Yi, en doktorand i el- och datorteknik vid University of Wisconsin-Madison som är huvudförfattare till uppsatsen, kom på likheten mellan deras design och geckos öron efter att arbetet redan hade börjat. De blev alla förvånade över den djupa nivån av likhet. Som det visar sig, samma matematik som förklarar både geckoöronen och den här fotodetektorn beskriver ett interferensfenomen även mellan tätt anordnade atomer.

"På teorisidan, det är faktiskt väldigt intressant att se många av de grundläggande störningskoncepten som går hela vägen till kvantmekaniken dyker upp i en enhet som praktiskt kan användas, sa Fan.

Ett långsiktigt engagemang

Detta projekt började när en av tidningens medförfattare, Zongfu Yu, var student i Fanlabbet och tog initiativet att kombinera sitt arbete där med forskning av Brongersma och hans labb. De gjorde framsteg men var tvungna att lägga arbetet på is medan Yu sökte till fakultetstjänster och, senare, etablerade sitt labb vid University of Wisconsin-Madison, där han nu är biträdande professor i el- och datateknik och i vars labb Soongyu Yi arbetar.

Många år senare, och efter att ha publicerat det aktuella proof-of-conceptet, forskarna sa att de ser fram emot att bygga vidare på sina resultat. Nästa steg inkluderar att bestämma vad mer de kanske vill mäta från ljus och sätta flera nanotrådar sida vid sida för att se om de kan bygga ett helt bildsystem som registrerar alla detaljer de är intresserade av på en gång.

"Vi har arbetat med det här länge – Zongfu har haft en hel livshistoria mellan starten och slutet av det här projektet! Det visar att vi inte har kompromissat med kvaliteten, ", sa Brongersma. "Och det är kul att tänka på att vi kan vara här i ytterligare 20 år och ta reda på all potential i det här systemet."