Une équipe de recherche de physiciens de l'Université Harvard a développé de nouveaux spectromètres portables capables des mêmes performances que les grands, instruments de paillasse. L'innovation des chercheurs expliquée cette semaine dans Photonique APL , découle de leur travail révolutionnaire dans les lentilles métalliques. Les spectromètres portatifs offrent de réelles promesses pour des applications allant du diagnostic des soins de santé à la surveillance environnementale et alimentaire.
Les spectromètres sont des instruments largement utilisés pour quantifier la présence de divers composés biologiques ou chimiques en fonction de leur interaction avec la lumière. Cependant, être un outil pratique pour les utilisateurs, comme les médecins au chevet ou les inspecteurs de la sécurité alimentaire sur le terrain, les spectromètres doivent être portables, peu coûteux et facile à utiliser sans équipement spécialisé ni formation. Typiquement, cependant, il existe un compromis inhérent entre la taille et les performances du spectromètre. Pour maintenir les performances tout en réduisant la taille du spectromètre, cette équipe de chercheurs a développé un spectromètre intégrant des méta-lentilles qui combinent les fonctionnalités d'un réseau traditionnel et d'un miroir focalisant en un seul composant, ainsi que d'avoir une capacité beaucoup plus grande à séparer spatialement les longueurs d'onde (la soi-disant dispersion). Dans tout, la taille globale du spectromètre est considérablement réduite sans sacrifier les performances.
"Cette recherche a ses racines depuis 2011, lorsque nous étudiions les propriétés fondamentales de la lumière lorsqu'elle interagit avec des métamatériaux bidimensionnels (métasurfaces) et avons découvert des lois généralisées pour la réfraction et la réflexion de la lumière pour la métasurface, qui sont de puissantes généralisations des lois des manuels valables pour les surfaces ordinaires, " a expliqué Federico Capasso de Harvard.
Contrairement aux lentilles réfractaires traditionnelles qui ont une épaisseur de quelques millimètres et une surface courbe caractéristique, une méta-lentille est une lentille complètement plate ou plane composée de millions de nanostructures. En utilisant des techniques lithographiques, le placement et la fabrication appropriés de ces nanostructures permettent des fonctionnalités similaires ou meilleures par rapport aux lentilles traditionnelles. Ces méta-lentilles peuvent être personnalisées selon les spécifications d'un utilisateur, et produites en série à l'aide des mêmes fonderies qui produisent des puces informatiques. "Pour ces raisons, nous pensons que les méta-lentilles changent la donne, " dit Capasso. " En fait, notre travail sur les métalenses dans le visible, publié l'année dernière, a été saluée par le magazine Science comme l'une des principales avancées de l'année 2016."
"Les applications potentielles de ces nouveaux spectromètres plus petits sont importantes pour la surveillance portable des composés biologiques et chimiques", a déclaré Alex Zhu, auteur principal de l'article. "Par exemple, les médecins pourraient apporter des capacités de diagnostic au niveau hospitalier aux patients sur le terrain où un équipement sophistiqué et un personnel hautement qualifié ne sont pas disponibles, fournir des données sur une échelle de temps de minutes à heures, par opposition aux jours ou semaines des méthodes habituelles basées sur la chimie. » Il en va de même pour la surveillance environnementale :données sur les ou des produits chimiques toxiques pourraient être collectés et traités en temps réel sur site à divers endroits avec des ultra-compacts, spectromètres haute performance.
La prochaine étape vers la réalisation du plein potentiel de ces méta-spectromètres est d'améliorer les performances du prototype à la fois pour la plage de longueurs d'onde de travail et la résolution spectrale. Cela permettrait de l'utiliser pour une grande variété d'analyses, dont celles très spécialisées pour identifier des protéines ou des marqueurs de gènes (spectroscopie Raman), qui impliquent généralement des processus onéreux avec des équipements sophistiqués dans un laboratoire grandeur nature.
"L'objectif est de pouvoir atteindre des niveaux de performances comparables avec un simple appareil à deux composants 'plug-and-play', c'est à dire., une méta-lentille et un détecteur, qui fonctionnent ensemble comme un méta-spectromètre, " a déclaré Zhu. " Le potentiel pour cela existe déjà dans la technologie des méta-lentilles; il s'agit simplement de trouver les bonnes configurations et de les faire fonctionner."
