Les geckos et de nombreux autres animaux ont des têtes trop petites pour trianguler l'emplacement des bruits comme nous le faisons, avec des oreilles largement espacées. Au lieu, ils ont un petit tunnel dans leur tête qui mesure la façon dont les ondes sonores entrantes rebondissent pour déterminer de quelle direction elles viennent.

Face à leur propre problème de taille minuscule et de triangulation, des chercheurs de l'Université de Stanford ont mis au point un système similaire pour détecter l'angle de la lumière entrante. Un tel système pourrait permettre à de minuscules caméras de détecter d'où vient la lumière, mais sans l'encombrement d'un grand objectif.

"Créer un petit pixel sur votre appareil photo qui dit que la lumière vient de telle ou telle direction est difficile parce que, idéalement, les pixels sont très petits – de nos jours environ 1/100e de cheveu, " a déclaré Mark Brongersma, professeur de science et d'ingénierie des matériaux qui est l'auteur principal d'un article sur ce système, publié le 29 octobre dans Nature Nanotechnologie . "C'est donc comme avoir deux yeux très rapprochés et essayer de les croiser pour voir d'où vient la lumière."

Ces chercheurs travaillent sur de minuscules détecteurs qui pourraient enregistrer de nombreuses caractéristiques de la lumière, y compris la couleur, polarité et, maintenant, angle de lumière. Pour autant qu'ils sachent, le système qu'ils ont décrit dans cet article est le premier à démontrer qu'il est possible de déterminer l'angle de la lumière avec une configuration aussi petite.

"La façon typique de déterminer la direction de la lumière est d'utiliser une lentille. Mais ceux-ci sont gros et il n'y a pas de mécanismes comparables lorsque vous rétrécissez un appareil, il est donc plus petit que la plupart des bactéries, " a déclaré Shanhui Fan, professeur de génie électrique, qui est co-auteur de l'article.

Une détection de la lumière plus détaillée pourrait prendre en charge les progrès des caméras sans objectif, réalité augmentée et vision robotique, ce qui est important pour les voitures autonomes.

Des atomes aux geckos

Si un son ne vient pas directement du dessus du gecko, un tympan vole essentiellement une partie de l'énergie des ondes sonores qui, autrement, pénétrerait dans l'autre. Cette inférence aide le gecko - et environ 15, 000 autres espèces animales avec un tunnel similaire - comprenez d'où vient un son.

Les chercheurs imitent cette structure dans leur photodétecteur en ayant deux nanofils de silicium - chacun d'environ 100 nanomètres de diamètre ou environ 1/1000e de la largeur d'un cheveu - alignés l'un à côté de l'autre, comme les tympans du gecko. Ils sont placés si près que, quand une onde lumineuse arrive à un angle, le fil le plus proche de la source lumineuse interfère avec les ondes frappant son voisin, jetant essentiellement une ombre. Le premier fil à détecter la lumière enverrait alors le courant le plus fort. En comparant le courant dans les deux fils, les chercheurs peuvent cartographier l'angle des ondes lumineuses entrantes.

Les geckos n'étaient pas l'inspiration pour la construction initiale de ce système. Soongyu Yi, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique de l'Université du Wisconsin-Madison qui est l'auteur principal de l'article, est tombé sur la ressemblance entre leur conception et les oreilles des geckos après que le travail ait déjà commencé. Ils ont tous été surpris par le niveau profond de similitude. Comme il s'avère, les mêmes calculs qui expliquent à la fois les oreilles de gecko et ce photodétecteur décrivent également un phénomène d'interférence entre des atomes étroitement disposés.

« Côté théorie, il est en fait très intéressant de voir de nombreux concepts d'interférence de base qui vont jusqu'à la mécanique quantique apparaître dans un appareil qui peut être utilisé dans la pratique, " dit Fan.

Un engagement à long terme

Ce projet a débuté lorsqu'un des co-auteurs de l'article, Zongfu Yu, était étudiant au Fan lab et a pris l'initiative d'y combiner son travail avec les recherches de Brongersma et de son laboratoire. Ils ont fait des progrès mais ont dû suspendre le travail pendant que Yu postulait à des postes de professeur et, ensuite, a établi son laboratoire à l'Université du Wisconsin-Madison, où il est maintenant professeur assistant en génie électrique et informatique et dans le laboratoire duquel travaille Soongyu Yi.

Plusieurs années plus tard, et après publication de la preuve de concept actuelle, les chercheurs ont déclaré qu'ils attendaient avec impatience de s'appuyer sur leurs résultats. Les prochaines étapes consistent à décider ce qu'ils pourraient vouloir mesurer d'autre à partir de la lumière et à mettre plusieurs nanofils côte à côte pour voir s'ils peuvent construire un système d'imagerie complet qui enregistre tous les détails qui les intéressent à la fois.

"Nous avons travaillé là-dessus pendant longtemps - Zongfu a eu toute une histoire entre le début et la fin de ce projet ! Cela montre que nous n'avons pas fait de compromis sur la qualité, " a déclaré Brongersma. " Et c'est amusant de penser que nous pourrions être ici pendant encore 20 ans pour découvrir tout le potentiel de ce système. "