Espectrômetros - dispositivos que distinguem diferentes comprimentos de onda de luz e são usados ​​para determinar a composição química de tudo, desde materiais de laboratório a estrelas distantes - são grandes dispositivos com etiquetas de preços de seis dígitos, e tendem a ser encontrados em grandes laboratórios ou observatórios de universidades e indústrias.

Um novo avanço dos pesquisadores do MIT poderia tornar possível a produção de minúsculos espectrômetros tão precisos e poderosos, mas que poderiam ser produzidos em massa usando processos de fabricação de chips padrão. Essa abordagem pode abrir novos usos para a espectrometria que antes seriam física e financeiramente impossíveis.

A invenção é descrita hoje no jornal Nature Communications , em um artigo do professor associado de ciência e engenharia de materiais do MIT, Juejun Hu, estudante de doutorado Derek Kita, assistente de pesquisa Brando Miranda, e cinco outros.

Os pesquisadores dizem que esta nova abordagem para fazer espectrômetros em um chip pode fornecer grandes vantagens de desempenho, Tamanho, peso, e consumo de energia, em comparação com os instrumentos atuais.

Outros grupos tentaram fazer espectrômetros baseados em chips, mas há um desafio embutido:a capacidade de um dispositivo de espalhar a luz com base em seu comprimento de onda, usando qualquer sistema óptico convencional, é altamente dependente do tamanho do dispositivo. "Se você torná-lo menor, o desempenho degrada, "Hu diz.

Outro tipo de espectrômetro usa uma abordagem matemática chamada de transformada de Fourier. Mas esses dispositivos ainda são limitados pela mesma restrição de tamanho - longos caminhos ópticos são essenciais para obter alto desempenho. Uma vez que dispositivos de alto desempenho exigem muito tempo, comprimentos de caminho óptico ajustável, Os espectrômetros miniaturizados são tradicionalmente inferiores em comparação com seus equivalentes de bancada.

Em vez de, "usamos uma técnica diferente, "diz Kita. O sistema deles é baseado em interruptores ópticos, que pode virar instantaneamente um feixe de luz entre as diferentes vias ópticas, que podem ter comprimentos diferentes. Esses interruptores ópticos totalmente eletrônicos eliminam a necessidade de espelhos móveis, que são exigidos nas versões atuais, e pode ser facilmente fabricado usando a tecnologia padrão de fabricação de chips.

Ao eliminar as peças móveis, Kita diz, "há um enorme benefício em termos de robustez. Você pode deixá-lo cair da mesa sem causar nenhum dano."

Usando comprimentos de caminho em incrementos de potência de dois, esses comprimentos podem ser combinados de diferentes maneiras para replicar um número exponencial de comprimentos discretos, levando assim a uma resolução espectral potencial que aumenta exponencialmente com o número de comutadores ópticos no chip. É o mesmo princípio que permite que uma balança meça com precisão uma ampla gama de pesos, combinando apenas um pequeno número de pesos padrão.

Como prova de conceito, os pesquisadores contrataram um serviço de fabricação de semicondutores padrão da indústria para construir um dispositivo com seis interruptores sequenciais, produzindo 64 canais espectrais, com capacidade de processamento embutida para controlar o dispositivo e processar sua saída. Ao expandir para 10 switches, a resolução pularia para 1, 024 canais. Eles projetaram o dispositivo como uma unidade plug-and-play que poderia ser facilmente integrada às redes ópticas existentes.

A equipe também usou novas técnicas de aprendizado de máquina para reconstruir espectros detalhados de um número limitado de canais. O método que desenvolveram funciona bem para detectar picos espectrais amplos e estreitos, Kita diz. Eles foram capazes de demonstrar que seu desempenho realmente correspondia aos cálculos, e, assim, abre uma ampla gama de desenvolvimento potencial para várias aplicações.

Os pesquisadores dizem que tais espectrômetros podem encontrar aplicações em dispositivos de detecção, sistemas de análise de materiais, tomografia óptica coerente em imagens médicas, e monitorar o desempenho de redes ópticas, dos quais a maioria das redes digitais atuais depende. Já, a equipe foi contatada por algumas empresas interessadas em possíveis usos para tais espectrômetros de microchip, with their promise of huge advantages in size, weight, e consumo de energia, Kita says. There is also interest in applications for real-time monitoring of industrial processes, Hu adds, as well as for environmental sensing for industries such as oil and gas.