Le chercheur principal Mahmooda Sultana s'est associé au Massachusetts Institute of Technology pour développer un spectromètre à points quantiques à utiliser dans l'espace. Dans cette photo, elle caractérise les propriétés optiques des pixels de la boîte quantique. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Un technologue de la NASA s'est associé à l'inventeur d'une nouvelle nanotechnologie qui pourrait transformer la façon dont les scientifiques de l'espace construisent des spectromètres, le dispositif très important utilisé par pratiquement toutes les disciplines scientifiques pour mesurer les propriétés de la lumière émanant des objets astronomiques, y compris la Terre elle-même.
Mahmooda Sultana, ingénieur de recherche au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, collabore désormais avec Moungi Bawendi, professeur de chimie au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge, ou MIT, pour développer un prototype de spectromètre imageur basé sur la technologie émergente des points quantiques que le groupe de Bawendi a mis au point.
Fonds d'innovation du Centre de la NASA, qui supporte potentiellement précurseur, technologies à haut risque, finance l'effort.
Présentation des points quantiques
Les points quantiques sont un type de nanocristal semi-conducteur découvert au début des années 1980. Invisible à l'oeil nu, les points ont fait leurs preuves lors de tests pour absorber différentes longueurs d'onde de lumière en fonction de leur taille, forme, et composition chimique. La technologie est prometteuse pour les applications qui reposent sur l'analyse de la lumière, y compris les caméras des smartphones, Équipement médical, et des équipements d'essais environnementaux.
"C'est aussi nouveau que possible, " dit Sultane, se référant à la technologie qui, selon elle, pourrait miniaturiser et potentiellement révolutionner les spectromètres spatiaux, en particulier ceux utilisés sur les véhicules aériens inhabités et les petits satellites. "Cela pourrait vraiment simplifier l'intégration des instruments."
Spectromètres d'absorption, comme leur nom l'indique, mesurer l'absorption de la lumière en fonction de la fréquence ou de la longueur d'onde due à son interaction avec un échantillon, comme les gaz atmosphériques.
Cette illustration montre comment un appareil imprime les filtres à points quantiques qui absorbent différentes longueurs d'onde de lumière en fonction de leur taille et de leur composition. La technologie émergente pourrait donner aux scientifiques une approche rentable pour le développement de spectromètres, un instrument couramment utilisé. Crédit : O'Reilly Science Art
Après avoir traversé ou interagi avec l'échantillon, la lumière atteint le spectromètre. Les spectromètres traditionnels utilisent des réseaux, prismes, ou des filtres interférentiels pour diviser la lumière en ses longueurs d'onde composantes, que leurs pixels détecteurs détectent ensuite pour produire des spectres. Plus l'absorption dans les spectres est intense, plus la présence d'un produit chimique spécifique est importante.
Alors que les spectromètres spatiaux deviennent de plus en plus petits en raison de la miniaturisation, ils sont encore relativement grands, dit Sultane. « Une résolution spectrale plus élevée nécessite de longs chemins optiques pour les instruments utilisant des réseaux et des prismes. Cela se traduit souvent par de gros instruments. Alors qu'ici, avec des points quantiques qui agissent comme des filtres qui absorbent différentes longueurs d'onde en fonction de leur taille et de leur forme, nous pouvons fabriquer un instrument ultra-compact. En d'autres termes, vous pourriez éliminer les pièces optiques, comme des grilles, prismes, et des filtres d'interférence."
Tout aussi important, la technologie permet au développeur de l'instrument de générer un nombre presque illimité de points différents. Au fur et à mesure que leur taille diminue, la longueur d'onde de la lumière que les points quantiques vont absorber diminue. "Cela permet de produire un accordable en continu, pourtant distinct, ensemble de filtres absorbants où chaque pixel est constitué d'une boîte quantique d'une taille spécifique, forme, ou composition. Nous aurions un contrôle précis sur ce que chaque point absorbe. Nous pourrions littéralement personnaliser l'instrument pour observer de nombreuses bandes différentes avec une résolution spectrale élevée."
Instrument prototype en cours de développement
Avec son soutien au développement technologique de la NASA, Sultana travaille à développer, qualifier par des tests de vide thermique et de vibration, et démontrer un réseau de points quantiques de 20 par 20 sensibles aux longueurs d'onde visibles nécessaires pour imager le soleil et les aurores. Cependant, la technologie peut facilement être étendue pour couvrir une plus large gamme de longueurs d'onde, de l'ultraviolet au moyen infrarouge, qui peuvent trouver de nombreuses applications spatiales potentielles en sciences de la Terre, héliophysique, et la science planétaire, elle a dit.
Dans le cadre de la collaboration, Sultana développe un concept d'instrument en particulier pour une application CubeSat et Jason Yoo, doctorant au MIT, étudie des techniques pour synthétiser différents précurseurs chimiques afin de créer les points, puis de les imprimer sur un substrat approprié. "Finalement, nous voudrions imprimer les points directement sur les pixels du détecteur, " elle a dit.
"C'est une technologie très innovante, " ajouta Sultana, concédant qu'il est très tôt dans son développement. "Mais nous essayons d'élever très rapidement son niveau de préparation technologique. Plusieurs opportunités en sciences spatiales qui pourraient en bénéficier sont en préparation."
