Uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu um espectrômetro de infravermelho médio menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

Com aplicações potenciais que vão desde a detecção de gases de efeito estufa até a segurança de veículos autônomos, tem havido muito interesse nos últimos anos no desenvolvimento de compactos, espectrômetros no chip. Espectrômetros tradicionais, que medem a informação espectral da luz, são volumosos e caros. Um espectrômetro no chip expandiria muito as aplicações e acessibilidade da tecnologia.

Em direção a esse objetivo, uma equipe de pesquisadores nos EUA, Israel, e o Japão desenvolveu um espectrômetro ultracompacto no infravermelho médio. O trabalho é resultado de uma colaboração entre o laboratório de Fengnian Xia, o Barton L. Weller Professor Associado em Engenharia e Ciência na Universidade de Yale; Professor Doron Naveh da Bar-Ilan University, Israel; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, do National Institute for Materials Science, Japão. As descobertas foram publicadas recentemente em Nature Photonics .

O dispositivo incorpora fósforo preto (BP), um material que há muito tempo é o foco do laboratório Xia, para um espectrômetro que está operacional em uma faixa de comprimento de onda de 2 a 9 micrômetros, baseado em um único fotodetector ajustável. O material, que tem cerca de dez nanômetros de espessura, permite que os usuários sintonizem a interação luz-matéria para capturar os diferentes componentes espectrais - uma chave para o sucesso do dispositivo. Além disso, um algoritmo avançado desempenha um papel igualmente importante neste espectrômetro, mudando parcialmente a complexidade inata em espectroscopia de hardware para software.

Com um tamanho de 9 × 16 micrômetros quadrados - muito menor do que a seção transversal de um cabelo humano - as dimensões do espectrômetro são comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz que ele mede. Mesmo se fosse possível tornar o dispositivo menor, não mostraria muita melhora, uma vez que a luz em condições normais não pode ser focada em um ponto muito menor do que seu comprimento de onda, devido à difração.

"É muito emocionante realizar um espectrômetro de alto desempenho com a compactação final, "disse o Prof. Doron Naveh da Bar-Ilan University." Esperamos que o princípio de alavancar avanços em hardware e software simultaneamente, conforme mostrado neste trabalho, leve a aplicações comerciais na medicina, agricultura e controle de qualidade alimentar. "

Com espectrômetros convencionais, a luz é dividida pelas cores que compõem o espectro.

"Este espectrômetro mostra uma vantagem sobre os espectrômetros convencionais de divisão de luz porque a luz não precisa ser dividida em diferentes partes espacialmente, "disse Shaofan Yuan, um Ph.D. estudante no laboratório de Xia, e principal autor do estudo.

E, ao contrário dos espectrômetros convencionais, o sistema não depende de componentes ópticos avançados, como interferômetros ou lasers infravermelhos sintonizáveis. Isso abre a possibilidade de uma miniaturização extrema de espectrômetros e pode permitir on-chip, espectroscopia de infravermelho médio acessível e imagem espectral. Os pesquisadores observam que automóveis, drones, e os satélites são frequentemente equipados com câmeras infravermelhas que captam imagens térmicas em tons de cinza para detectar pedestres, veículos, e outros perigos. O espectrômetro do laboratório Xia tem uma capacidade de detecção potencialmente maior para essas ameaças potenciais, uma vez que as informações espectrais podem ser medidas continuamente, embora com resolução moderada. Adicionalmente, também pode ser útil em sensoriamento remoto.