Pesquisadores da Duke University demonstraram fotodetectores que podem abranger uma gama sem precedentes de frequências de luz usando filtros espectrais no chip criados por materiais eletromagnéticos personalizados. A combinação de vários fotodetectores com diferentes respostas de frequência em um único chip pode permitir a leveza, câmeras multiespectrais baratas para aplicações como cirurgia de câncer, inspeção de segurança alimentar e agricultura de precisão.

Uma câmera típica captura apenas a luz visível, que é uma pequena fração do espectro disponível. Outras câmeras podem se especializar em comprimentos de onda infravermelho ou ultravioleta, por exemplo, mas poucos podem capturar luz de pontos díspares ao longo do espectro. E aqueles que podem sofrer de uma miríade de desvantagens, como fabricação complicada e não confiável, velocidades funcionais lentas, volume que pode torná-los difíceis de transportar, e custa até centenas de milhares de dólares.

Em pesquisa que apareceu online em 25 de novembro no jornal Materiais da Natureza , Os pesquisadores da Duke demonstram um novo tipo de fotodetector de amplo espectro que pode ser implementado em um único chip, permitindo que ele capture uma imagem multiespectral em alguns trilionésimos de segundo e seja produzido por apenas dezenas de dólares. A tecnologia é baseada na física chamada plasmônica - o uso de fenômenos físicos em nanoescala para capturar certas frequências de luz.

"A luz capturada causa um aumento acentuado na temperatura, que nos permite usar esses materiais legais, mas quase esquecidos, chamados piroelétricos, "disse Maiken Mikkelsen, James N. e Elizabeth H. Barton, Professores Associados de Engenharia Elétrica e de Computação na Duke University. "Mas agora que os removemos e os combinamos com tecnologia de ponta, conseguimos fazer esses detectores incrivelmente rápidos que também podem sentir a frequência da luz que entra. "

De acordo com Mikkelsen, fotodetectores comerciais foram feitos com esses tipos de materiais piroelétricos antes, mas sempre sofreu de duas desvantagens principais. Eles não foram capazes de se concentrar em frequências eletromagnéticas específicas, e as espessas camadas de material piroelétrico necessárias para criar o suficiente de um sinal elétrico fizeram com que operassem em velocidades muito baixas.

"Mas nossos detectores plasmônicos podem ser ligados a qualquer frequência e reter tanta energia que geram muito calor, "disse Jon Stewart, um estudante de pós-graduação no laboratório de Mikkelsen e primeiro autor no artigo. "Essa eficiência significa que precisamos apenas de uma fina camada de material, o que acelera muito o processo. "

O recorde anterior para tempos de detecção em qualquer tipo de câmera térmica com um filtro no chip, se usa materiais piroelétricos ou não, foi de 337 microssegundos. A abordagem baseada em plasmônicos de Mikkelsen gerou um sinal em apenas 700 picossegundos, que é cerca de 500, 000 vezes mais rápido. Mas porque esses tempos de detecção eram limitados pelos instrumentos experimentais usados ​​para medi-los, os novos fotodetectores podem funcionar ainda mais rápido no futuro.

Para conseguir isso, Mikkelsen e sua equipe criaram cubos de prata com apenas cem nanômetros de largura e os colocaram em um filme transparente apenas alguns nanômetros acima de uma fina camada de ouro. Quando a luz atinge a superfície de um nanocubo, excita os elétrons da prata, aprisionando a energia da luz - mas apenas em uma frequência específica.

O tamanho dos nanocubos de prata e sua distância da camada de base de ouro determinam essa frequência, enquanto a quantidade de luz absorvida pode ser ajustada controlando o espaçamento entre as nanopartículas. Adaptando precisamente esses tamanhos e espaçamentos, os pesquisadores podem fazer o sistema responder a qualquer frequência eletromagnética que desejarem.

Para aproveitar este fenômeno físico fundamental para uma câmera hiperespectral comercial, pesquisadores precisariam formar uma grade de minúsculos, detectores individuais, cada um sintonizado em uma frequência de luz diferente, em um 'superpixel' maior.

Em um passo em direção a esse fim, a equipe demonstra quatro fotodetectores individuais adaptados para comprimentos de onda entre 750 e 1900 nanômetros. As metassuperfícies plasmônicas absorvem energia de frequências específicas da luz que entra e aquecem. O calor induz uma mudança na estrutura cristalina de uma fina camada de material piroelétrico chamado nitreto de alumínio, situada diretamente abaixo deles. Essa mudança estrutural cria uma tensão, que é então lido por uma camada inferior de um contato semicondutor de silício que transmite o sinal a um computador para análise.

"Não era nada óbvio que poderíamos fazer isso, "disse Mikkelsen." É realmente surpreendente que não apenas nossos fotodetectores funcionem, mas estamos vendo coisas novas, fenômenos físicos inesperados que nos permitirão acelerar a rapidez com que podemos fazer essa detecção em muitas ordens de magnitude. "

Mikkelsen vê vários usos potenciais para câmeras comerciais com base na tecnologia, porque o processo necessário para fabricar esses fotodetectores é relativamente rápido, barato e escalonável.

Os cirurgiões podem usar imagens multiespectrais para dizer a diferença entre o tecido canceroso e o saudável durante a cirurgia. Os inspetores de segurança alimentar e de água podem usá-lo para saber quando um peito de frango está contaminado com bactérias perigosas.

Com o apoio de uma nova Moore Inventor Fellowship da Gordon and Betty Moore Foundation, Mikkelsen tem como primeiro alvo a agricultura de precisão. Embora as plantas possam parecer verdes ou marrons a olho nu, a luz fora do espectro visível que é refletida em suas folhas contém uma cornucópia de informações valiosas.

"A obtenção de uma 'impressão digital espectral' pode identificar com precisão um material e sua composição, "disse Mikkelsen." Não só pode indicar o tipo de planta, mas também pode determinar sua condição, se precisa de água, está estressado ou tem baixo teor de nitrogênio, indicando a necessidade de fertilizante. É realmente surpreendente o quanto podemos aprender sobre as plantas simplesmente estudando uma imagem espectral delas. "

A imagem hiperespectral pode permitir a agricultura de precisão ao permitir fertilizantes, pesticidas, herbicidas e água a serem aplicados apenas quando necessário, economizando água e dinheiro e reduzindo a poluição. Imagine uma câmera hiperespectral montada em um drone mapeando a condição de um campo e transmitindo essa informação a um trator projetado para entregar fertilizantes ou pesticidas em taxas variáveis ​​nos campos.

Estima-se que o processo usado atualmente para produzir fertilizantes é responsável por até 2% do consumo global de energia e até 3% das emissões globais de dióxido de carbono. Ao mesmo tempo, os pesquisadores estimam que 50 a 60 por cento do fertilizante produzido é desperdiçado. Contabilizando apenas o fertilizante, a agricultura de precisão possui um enorme potencial para economia de energia e redução de gases de efeito estufa, sem mencionar a estimativa de US $ 8,5 bilhões em economia de custos diretos a cada ano, de acordo com o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos.

Várias empresas já estão perseguindo esses tipos de projetos. Por exemplo, A IBM está conduzindo um projeto na Índia usando imagens de satélite para avaliar as safras dessa maneira. Esta abordagem, Contudo, é muito caro e limitante, é por isso que Mikkelsen prevê um barato, detector portátil que pode gerar imagens de campos de cultivo a partir do solo ou de drones baratos.

“Imagine o impacto não só nos Estados Unidos, mas também em países de baixa e média renda, onde muitas vezes há escassez de fertilizantes e água, "disse Mikkelsen." Sabendo onde aplicar esses recursos esparsos, poderíamos aumentar significativamente o rendimento da colheita e ajudar a reduzir a fome. "