Une équipe internationale de chercheurs a développé un spectromètre infrarouge moyen plus petit que le diamètre d'un cheveu humain.

Avec des applications potentielles allant de la détection des gaz à effet de serre à la sécurisation des véhicules autonomes, il y a eu beaucoup d'intérêt ces dernières années pour le développement de compacts, spectromètres sur puce. Spectromètres traditionnels, qui mesurent l'information spectrale de la lumière, sont encombrants et coûteux. Un spectromètre sur puce élargirait considérablement les applications et l'accessibilité de la technologie.

Vers cet objectif, une équipe de chercheurs aux États-Unis, Israël, et le Japon a mis au point un spectromètre infrarouge moyen ultracompact. Le travail est le résultat d'une collaboration entre le laboratoire de Fengnian Xia, le professeur agrégé Barton L. Weller en ingénierie et sciences à l'Université de Yale; Professeur Doron Naveh de l'Université Bar-Ilan, Israël; Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux, Japon. Les résultats ont été récemment publiés dans Photonique de la nature .

L'appareil incorpore du phosphore noir (BP), un matériau qui a longtemps été au centre du laboratoire Xia, pour un spectromètre qui fonctionne dans une gamme de longueurs d'onde de 2 à 9 micromètres, basé sur un seul photodétecteur accordable. Le matériel, qui fait une dizaine de nanomètres d'épaisseur, permet aux utilisateurs de régler l'interaction lumière-matière pour capturer les différentes composantes spectrales, une clé du succès de l'appareil. De plus, un algorithme avancé joue un rôle tout aussi important dans ce spectromètre, déplaçant en partie la complexité innée de la spectroscopie du matériel au logiciel.

Avec une taille de 9 × 16 micromètres carrés, bien plus petite que la section transversale d'un cheveu humain, les dimensions du spectromètre sont comparables à la longueur d'onde de la lumière qu'il mesure. Même s'il était possible de réduire la taille de l'appareil, il ne montrerait pas beaucoup d'amélioration, puisque la lumière dans des conditions habituelles ne peut pas être focalisée sur un point beaucoup plus petit que sa longueur d'onde, due à la diffraction.

"C'est très excitant de réaliser un spectromètre aussi performant avec une compacité ultime, " a déclaré le professeur Doron Naveh de l'Université Bar-Ilan. " Nous nous attendons à ce que le principe d'exploiter simultanément les avancées matérielles et logicielles, comme le montre ce travail, conduira à des applications commerciales en médecine, l'agriculture et le contrôle de la qualité des aliments.

Avec les spectromètres conventionnels, la lumière est divisée par les couleurs qui composent le spectre.

"Ce spectromètre présente un avantage par rapport aux spectromètres à division de lumière conventionnels car la lumière n'a pas besoin d'être divisée en différentes parties dans l'espace, " dit Shaofan Yuan, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Xia, et auteur principal de l'étude.

Et contrairement aux spectromètres conventionnels, le système ne repose pas sur des composants optiques aussi avancés que les interféromètres ou les lasers infrarouges accordables. Cela ouvre la possibilité d'une miniaturisation extrême des spectromètres et pourrait permettre sur puce, spectroscopie infrarouge moyen et imagerie spectrale abordables. Les chercheurs notent que les automobiles, drones, et les satellites sont souvent équipés de caméras infrarouges qui prennent des images thermiques en niveaux de gris pour détecter les piétons, Véhicules, et d'autres dangers. Le spectromètre du laboratoire Xia a une capacité de détection potentiellement plus élevée pour de telles menaces potentielles puisque les informations spectrales peuvent être mesurées en continu, mais avec une résolution modérée. En outre, il peut également être utile en télédétection.