Des chercheurs de l'ETH ont développé un spectromètre infrarouge compact. Il est assez petit pour tenir sur une puce informatique, mais peut encore ouvrir des possibilités intéressantes, dans l'espace et dans la vie de tous les jours.

De nos jours, un téléphone portable peut presque tout faire :prendre des photos ou des vidéos, envoyer des messages, déterminer son emplacement actuel, et bien sûr transmettre des conversations téléphoniques. Avec ces appareils polyvalents, il pourrait même être possible de déterminer la teneur en alcool d'une bière ou la maturité d'un fruit.

A première vue, l'idée d'utiliser des téléphones portables pour des analyses chimiques semble audacieuse. Après tout, les spectromètres infrarouges utilisés aujourd'hui pour de telles analyses pèsent généralement plusieurs kilogrammes et sont difficiles à intégrer dans un appareil portatif. Aujourd'hui, les chercheurs de l'ETH Zurich ont franchi une étape importante vers la concrétisation de cette vision. David Pohl et Marc Reig Escale, dans le groupe dirigé par Rachel Grange, Professeur de Nanomatériaux Optiques au Département de Physique, collaboré avec d'autres collègues pour développer une puce d'environ 2 centimètres carrés. Avec ça, ils peuvent analyser la lumière infrarouge de la même manière qu'ils le feraient avec un spectromètre conventionnel.

Des guides d'ondes au lieu de miroirs

Un spectromètre conventionnel divise la lumière incidente en deux chemins avant de la réfléchir sur deux miroirs. Les faisceaux lumineux réfléchis sont recombinés et mesurés avec un photodétecteur. Le déplacement de l'un des miroirs crée un motif d'interférence, qui peut être utilisé pour déterminer la proportion de différentes longueurs d'onde dans le signal entrant. Parce que les substances chimiques créent des lacunes caractéristiques dans le spectre infrarouge, les scientifiques peuvent utiliser les modèles résultants pour identifier les substances présentes dans l'échantillon d'essai et à quelle concentration.

Ce même principe est à l'origine du mini-spectromètre développé par les chercheurs de l'ETH. Cependant, dans leur appareil, la lumière incidente n'est plus analysée à l'aide de miroirs mobiles; au lieu, il utilise des guides d'ondes spéciaux avec un indice de réfraction optique qui peut être ajusté de l'extérieur via un champ électrique. "La variation de l'indice de réfraction a un effet similaire à ce qui se passe lorsque nous déplaçons les miroirs, " explique Pohl, "donc cette configuration nous permet de disperser le spectre de la lumière incidente de la même manière."

Un processus de structuration exigeant

Selon la configuration du guide d'ondes, les chercheurs peuvent examiner différentes parties du spectre lumineux. "En théorie, notre spectromètre vous permet de mesurer non seulement la lumière infrarouge, mais aussi la lumière visible, à condition que le guide d'onde soit correctement configuré, " dit Escale. Contrairement à d'autres spectromètres intégrés qui ne peuvent couvrir qu'une plage étroite du spectre lumineux, l'appareil développé par le groupe de Grange a un avantage majeur en ce qu'il peut facilement analyser une large section du spectre.

Outre sa taille compacte, l'innovation des physiciens de l'ETH offre deux autres avantages :le "spectromètre sur puce" ne doit être calibré qu'une seule fois, par rapport aux appareils conventionnels qui ont besoin d'être recalibrés encore et encore ; et parce qu'il ne contient aucune pièce mobile, il nécessite moins d'entretien.

Pour leur spectromètre, les chercheurs de l'ETH ont utilisé un matériau également utilisé comme modulateur dans l'industrie des télécommunications. Ce matériau a de nombreuses propriétés positives, mais comme guide d'ondes, il confine la lumière à l'intérieur. C'est loin d'être idéal, car une mesure n'est possible que si une partie de la lumière guidée peut sortir. Pour cette raison, les scientifiques ont attaché des structures métalliques délicates aux guides d'ondes qui diffusent la lumière vers l'extérieur de l'appareil. "Cela a demandé beaucoup de travail en salle blanche jusqu'à ce que nous puissions structurer le matériau comme nous le souhaitions, " explique Grange.

Parfait pour l'espace

Jusqu'à ce que le mini-spectromètre actuel puisse être intégré dans un appareil mobile ou autre appareil électronique, cependant, il y a encore des progrès technologiques à faire. "En ce moment, nous mesurons le signal avec une caméra externe, " Grange dit, "donc si nous voulons avoir un appareil compact, nous devons également intégrer cela."

A l'origine, les physiciens visaient, pas aux analyses chimiques, mais à une toute autre application :en astronomie, les spectromètres infrarouges fournissent des informations précieuses sur les objets célestes lointains. Parce que l'atmosphère terrestre absorbe une grande quantité de lumière infrarouge, il serait idéal de placer ces instruments sur des satellites ou des télescopes dans l'espace. Un compact, un appareil de mesure léger et stable qui peut être lancé dans l'espace à relativement peu de frais offrirait naturellement un avantage substantiel.