Dans un travail qui pourrait transformer les téléphones portables en capteurs capables de détecter les virus et autres objets minuscules, Des chercheurs du MIT ont construit une puissante lampe de poche à l'échelle nanométrique sur une puce.

Leur approche de la conception du minuscule faisceau lumineux sur une puce pourrait également être utilisée pour créer une variété d'autres lampes de poche nano avec différentes caractéristiques de faisceau pour différentes applications. Pensez à un projecteur large par rapport à un faisceau de lumière concentré sur un seul point.

Les scientifiques utilisent depuis longtemps la lumière pour identifier un matériau en observant comment cette lumière interagit avec le matériau. Ils le font essentiellement en projetant un faisceau de lumière sur le matériau, puis analyser cette lumière après son passage à travers le matériau. Parce que tous les matériaux interagissent différemment avec la lumière, une analyse de la lumière qui traverse le matériau fournit une sorte d'« empreinte digitale » de ce matériau. Imaginez faire cela pour plusieurs couleurs, c'est-à-dire plusieurs longueurs d'onde de lumière, et capturer l'interaction de la lumière avec le matériau pour chaque couleur. Cela conduirait à une empreinte digitale encore plus détaillée.

La plupart des instruments pour ce faire, connu sous le nom de spectromètres, sont relativement grands. Les rendre beaucoup plus petits aurait un certain nombre d'avantages. Par exemple, ils pourraient être portables et avoir des applications supplémentaires (imaginez un téléphone portable futuriste chargé d'un capteur autonome pour un gaz spécifique). Cependant, alors que les chercheurs ont fait de grands progrès dans la miniaturisation du capteur pour détecter et analyser la lumière qui a traversé un matériau donné, un faisceau lumineux miniaturisé et de forme appropriée – ou une lampe de poche – reste un défi. Aujourd'hui, ce faisceau lumineux est le plus souvent fourni par un équipement à grande échelle comme un système laser qui n'est pas intégré à la puce elle-même comme le sont les capteurs.

Capteur complet

Entrez dans le travail du MIT. Dans deux articles récents de Rapports scientifiques sur la nature , l'équipe décrit non seulement leur approche pour concevoir des lampes de poche sur puce avec une variété de caractéristiques de faisceau, ils rapportent également avoir construit et testé avec succès un prototype. Surtout, ils ont créé l'appareil en utilisant des technologies de fabrication existantes familières à l'industrie de la microélectronique, ils sont donc convaincus que l'approche pourrait être déployée à grande échelle avec le moindre coût que cela implique.

Globalement, cela pourrait permettre à l'industrie de créer un capteur complet sur une puce avec à la fois une source lumineuse et un détecteur. Par conséquent, le travail représente une avancée significative dans l'utilisation de la photonique au silicium pour la manipulation d'ondes lumineuses sur des micropuces pour des applications de capteurs.

« Ce travail est important, et représente un nouveau paradigme de conception de dispositifs photoniques, permettant des améliorations dans la manipulation des faisceaux optiques, " dit Aurore Tan, un professeur agrégé à l'Université de technologie et de design de Singapour qui n'était pas impliqué dans la recherche.

"La photonique sur silicium a tellement de potentiel pour améliorer et miniaturiser les schémas de biodétection existants à l'échelle du banc. Nous avons juste besoin de stratégies de conception plus intelligentes pour exploiter tout son potentiel. Ce travail montre une telle approche, " dit Robin Singh, auteur principal des deux articles. Singh a reçu la maîtrise (2018) et le doctorat. (2020) du MIT, tous deux en génie mécanique.

Les coauteurs principaux du premier article sont Anuradha Murthy Agarwal, chercheur principal au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT, et Brian W. Anthony, chercheur principal au département de génie mécanique du MIT. Les coauteurs de Singh sur le deuxième article sont Agarwal; Antoine ; Yuqi Nie, maintenant à l'Université de Princeton; et Mingye Gao, un étudiant diplômé du département de génie électrique et d'informatique du MIT.

Comment ils l'ont fait

Singh et ses collègues ont créé leur conception globale à l'aide de plusieurs outils de modélisation informatique. Celles-ci comprenaient des approches conventionnelles basées sur la physique impliquée dans la propagation et la manipulation de la lumière, et des techniques d'apprentissage automatique plus avancées dans lesquelles l'ordinateur apprend à prédire des solutions potentielles en utilisant d'énormes quantités de données. "Si nous montrons à l'ordinateur de nombreux exemples de lampes de poche nano, il peut apprendre à fabriquer de meilleures lampes de poche, " dit Anthony. En fin de compte, "nous pouvons alors indiquer à l'ordinateur le modèle de lumière que nous voulons, et cela nous dira quel doit être le design de la lampe de poche. "

Tous ces outils de modélisation ont des avantages et des inconvénients; ensemble, ils ont abouti à une finale, conception optimale qui peut être adaptée pour créer des lampes de poche avec différents types de faisceaux lumineux.

Les chercheurs ont ensuite utilisé cette conception pour créer une lampe de poche spécifique avec un faisceau collimaté, ou celui dans lequel les rayons de lumière sont parfaitement parallèles les uns aux autres. Les faisceaux collimatés sont essentiels à certains types de capteurs. La lampe de poche globale que les chercheurs ont fabriquée impliquait quelque 500 structures rectangulaires à l'échelle nanométrique de différentes dimensions qui, selon la modélisation de l'équipe, permettraient un faisceau collimaté. Des nanostructures de différentes dimensions conduiraient à différents types de faisceaux qui à leur tour sont essentiels à d'autres applications.

La petite lampe de poche avec un faisceau collimaté a fonctionné. Non seulement que, il a fourni un faisceau cinq fois plus puissant que ce qui est possible avec des structures conventionnelles. C'est en partie parce que "être capable de mieux contrôler la lumière signifie que moins est dispersé et perdu, " dit Agarwal.

Singh décrit l'excitation qu'il a ressentie lors de la création de cette première lampe de poche. "C'était génial de voir au microscope ce que j'avais conçu sur ordinateur. Ensuite, nous l'avons testé, et ça a marché !"

Cette recherche a été financée en partie par l'Initiative MIT Skoltech.

En tant que chercheur principal au Centre de microphotonique et à l'Initiative pour la connaissance et l'innovation dans la fabrication (IKIM), Agarwal remercie ses collègues d'avoir fourni l'environnement intellectuel fertile pour ce travail.

Les installations et départements supplémentaires du MIT qui ont rendu ce travail possible sont le Département de science et d'ingénierie des matériaux, le Laboratoire de Recherche sur les Matériaux, l'Institut d'ingénierie médicale et des sciences, et MIT.nano.