Une image au microscope électronique de la membrane perforée avec la cavité cristalline au milieu. Détail :la cavité cristalline qui capte la lumière. Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Utilisez votre smartphone pour vérifier la pureté de l'air, si la nourriture est fraîche ou un morceau est malin. Tout cela a fait un pas de plus grâce à un nouveau spectromètre si petit qu'il peut être intégré facilement et à moindre coût dans un téléphone mobile. Le petit capteur développé à TU Eindhoven est tout aussi précis que les modèles de table normaux utilisés dans les laboratoires scientifiques. Les chercheurs présentent leur invention le 20 décembre dans la revue Communication Nature .
Spectrométrie, l'analyse de la lumière visible et invisible, a une vaste gamme d'applications. Chaque matériau et chaque tissu a sa propre « empreinte » en termes d'absorption et de réflexion de la lumière, et peut donc être reconnu par spectrométrie. Mais les spectromètres précis sont gros puisqu'ils divisent la lumière en différentes couleurs (fréquences), qui sont ensuite mesurés séparément. Juste après que la lumière soit divisée, les poutres, qui ont des fréquences différentes, se chevauchent encore; des mesures très précises ne peuvent donc être effectuées que quelques dizaines de centimètres après le fractionnement.
Les chercheurs d'Eindhoven ont développé un capteur ingénieux capable d'effectuer des mesures aussi précises d'une manière totalement différente à l'aide d'une "cavité à cristal photonique" spéciale, un « piège » de quelques micromètres dans lequel la lumière tombe et ne peut s'échapper. Ce piège est contenu dans une membrane, dans lequel la lumière captée génère un petit courant électrique, et ça se mesure. doctorat l'étudiant Žarko Zobenica a fait la cavité pour qu'elle soit très précise, ne conservant qu'un très petit intervalle de fréquence et ne mesurant donc que la lumière à cette fréquence.
Pour pouvoir mesurer une gamme de fréquences plus large, les chercheurs ont placé deux de leurs membranes très étroitement l'une au-dessus de l'autre. Les deux membranes s'influencent mutuellement :si la distance entre elles change légèrement, alors la fréquence lumineuse que le capteur est capable de détecter change également. A cet effet, les chercheurs, supervisé par le professeur Andrea Fiore et le professeur associé Rob van der Heijden, incorporé un MEMS (un système micro-électromécanique). Ce mécanisme électromécanique permet de faire varier la distance entre les membranes, et donc la fréquence mesurée. Finalement, alors, le capteur couvre une gamme de longueurs d'onde d'une trentaine de nanomètres, au sein de laquelle le spectromètre peut discerner quelques centaines de milliers de fréquences, ce qui est d'une précision exceptionnelle. Ceci est rendu possible par le fait que les chercheurs sont capables de déterminer avec précision la distance entre les membranes à quelques dizaines de femtomètres (10 -15 mètres).
La structure de l'appareil. Le plan perforé bleu est la membrane supérieure contenant la cavité du cristal photonique, qui capte la lumière d'une fréquence bien précise. Lorsque cela se produit, il génère un courant qui est mesuré (A). Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Pour démontrer l'utilité, l'équipe de recherche a démontré plusieurs applications, y compris un capteur de gaz. Ils ont également réalisé un capteur de mouvement extrêmement précis en utilisant intelligemment le fait que la fréquence détectée change chaque fois que les deux membranes se déplacent l'une par rapport à l'autre.
Le professeur Fiore s'attend à ce qu'il faille encore cinq ans ou plus avant que le nouveau spectromètre ne pénètre réellement dans un smartphone, car la plage de fréquences couverte est actuellement encore trop petite. À l'heure actuelle, le capteur ne couvre que quelques pour cent du spectre le plus courant, le proche infrarouge. Son groupe travaillera donc à l'extension du spectre détectable. Ils intégreront également un élément supplémentaire au micro-spectromètre :une source lumineuse, ce qui rendra le capteur indépendant des sources externes.
Compte tenu de l'énorme éventail d'applications, les micro-spectromètres devraient à terme devenir un élément tout aussi important du smartphone que l'appareil photo. Par exemple, pour mesurer le CO2, détecter la fumée, déterminer quel médicament vous avez, mesurer la fraîcheur des aliments, le niveau de votre glycémie, etc.
