Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques , des chercheurs sous la direction des professeurs d'ingénierie de Columbia Michal Lipson et Alexander Gaeta (physique appliquée et mathématiques appliquées) ont miniaturisé des peignes à double fréquence en plaçant deux générateurs de peignes de fréquence sur une seule puce millimétrique.

"C'est la première fois qu'un double peigne est généré sur une seule puce à l'aide d'un seul laser, " dit Lipson, Professeur Higgins de génie électrique.

Un peigne de fréquence est un type spécial de faisceau lumineux avec de nombreuses fréquences différentes, ou "couleurs, " tous espacés les uns des autres de manière extrêmement précise. Lorsque cette lumière multicolore est envoyée à travers un échantillon chimique, certaines couleurs sont absorbées par les molécules du spécimen. En regardant quelles couleurs ont été absorbées, on peut identifier de manière unique les molécules dans l'échantillon avec une grande précision. Cette technique, connue sous le nom de spectroscopie à peigne de fréquence, permet les empreintes moléculaires et peut être utilisé pour détecter des produits chimiques toxiques dans les zones industrielles, mettre en œuvre des contrôles de sécurité au travail, ou pour surveiller l'environnement.

"La spectroscopie à double peigne est cette technique mise sous stéroïdes, " dit Avik Dutt, ancien étudiant du groupe de Lipson (maintenant chercheur postdoctoral à Stanford) et auteur principal de l'article. "En mélangeant deux peignes de fréquence au lieu d'un seul peigne, nous pouvons augmenter la vitesse à laquelle les mesures sont effectuées par des milliers ou plus."

Le travail a également démontré la plus large plage de fréquences de tous les doubles peignes sur puce, c'est-à-dire la différence entre les couleurs du côté basse fréquence et du côté haute fréquence est la plus grande. Cette portée permet de détecter une plus grande variété de produits chimiques avec le même appareil, et facilite également l'identification unique des molécules :plus la palette de couleurs du peigne est large, plus la diversité des molécules qui peuvent voir les couleurs est large.

Spectromètres conventionnels à double peigne, qui ont été introduites au cours de la dernière décennie, sont des instruments de table encombrants, et non portable en raison de leur taille, Coût, et complexité. En revanche, le peigne double à l'échelle de la puce Columbia Engineering peut facilement être transporté et utilisé pour la détection et la spectroscopie dans des environnements de terrain en temps réel.

« Il existe désormais un moyen d'essayer d'intégrer l'ensemble de l'appareil dans un téléphone ou un appareil portable, " dit Gaète, Rickey Professeur de physique appliquée et de science des matériaux.

Les chercheurs ont miniaturisé le double peigne en plaçant les deux générateurs de peigne de fréquence sur une seule puce millimétrique. Ils ont également utilisé un seul laser pour générer les deux peignes, plutôt que les deux lasers utilisés dans les peignes doubles conventionnels, ce qui a réduit la complexité expérimentale et supprimé le besoin d'une électronique compliquée. Pour produire des anneaux minuscules (des dizaines de micromètres de diamètre) qui guident et améliorent la lumière avec une perte ultra-faible, l'équipe a utilisé du nitrure de silicium, un matériau semblable au verre qu'ils ont perfectionné spécifiquement à cet effet. En combinant le nitrure de silicium avec des éléments chauffants en platine, ils ont pu régler très finement les anneaux et les faire fonctionner en tandem avec le laser à entrée unique.

"Le nitrure de silicium est un matériau largement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs à base de silicium qui construit des puces d'ordinateur/smartphone, " note Lipson. " Alors, en tirant parti des capacités de cette industrie mature, nous pouvons prévoir une fabrication fiable de ces puces à double peigne à grande échelle et à faible coût."

En utilisant ce double peigne, Les groupes de Lipson et Gaeta ont démontré une spectroscopie en temps réel du dichlorométhane chimique à des vitesses très élevées, sur une large gamme de fréquences. Un solvant organique largement utilisé, le dichlorométhane est abondant dans les zones industrielles ainsi que dans les émissions des zones humides. Le produit chimique est cancérigène, et sa volatilité élevée pose des risques d'inhalation aigus. Le compact de Columbia Engineering, Le spectromètre à double peigne à l'échelle de la puce a pu mesurer un large spectre de dichlorométhane en seulement 20 microsecondes (il y en a 1, 000, 000 microsecondes en une seconde), une tâche qui aurait pris au moins plusieurs secondes avec des spectromètres conventionnels.

Contrairement à la plupart des spectromètres, qui se concentrent sur la détection de gaz, ce nouveau, le spectromètre miniaturisé est particulièrement adapté aux liquides et aux solides, qui ont des caractéristiques d'absorption plus larges que les gaz ? la gamme de fréquences qu'ils absorbent est plus étendue. "C'est ce que notre appareil est si bon à générer, " explique Gaeta. " Nos peignes doubles très larges ont un espacement modéré entre les lignes successives du peigne de fréquence, par rapport aux spectromètres à gaz qui peuvent s'en tirer avec un double peigne moins large mais qui nécessitent un espacement fin entre les lignes du peigne."

L'équipe travaille à élargir encore plus la plage de fréquences des doubles peignes, et sur l'augmentation de la résolution du spectromètre en ajustant les lignes du peigne. Dans un article publié en novembre dernier dans Optics Letters, Les groupes de Gaeta et de Lipson ont démontré quelques étapes pour montrer une résolution accrue.

« On pourrait également envisager d'intégrer le laser d'entrée dans la puce pour miniaturiser davantage le système, ouvrir la voie à la commercialisation de cette technologie à l'avenir, " dit Dutt.