Une équipe de chercheurs de l'UCLA Samueli School of Engineering a démontré une nouvelle approche d'un vieux problème :mesurer les spectres de la lumière, également connu sous le nom de spectroscopie. En tirant parti de l'évolutivité, techniques de nano-fabrication rentables, ainsi que des algorithmes basés sur l'IA, ils ont construit et testé un système plus compact que les spectromètres classiques, tout en offrant des avantages de conception supplémentaires.

La spectroscopie est un outil central pour de nombreuses applications dans les sciences de la vie, Médicament, l'astrophysique et d'autres domaines. Les spectromètres conventionnels divisent la lumière en ses couleurs constitutives afin que l'intensité de chacune puisse être mesurée. Cela conduit à plusieurs contraintes et compromis de conception :une résolution spectrale plus fine (avec un espacement plus étroit entre les couleurs ou les longueurs d'onde détectables) peut nécessiter l'utilisation de matériel plus coûteux, augmenter l'empreinte physique de l'appareil et potentiellement sacrifier la force du signal. Cela peut être problématique pour les applications nécessitant une sensibilité élevée, haute résolution spectrale, et la conception du système compact. Il présente également d'autres défis pour l'imagerie hyperspectrale, qui consiste à capturer un spectre pour chaque pixel d'une image, une technique couramment utilisée pour les tâches de télédétection telles que la surveillance environnementale pour évaluer la santé des cultures ou la prévalence des gaz à effet de serre, entre autres utilisations.

L'approche des chercheurs de l'UCLA, alimenté par l'IA, repense le problème de la spectroscopie à partir de zéro. Au lieu de compter sur la division de la lumière en un arc-en-ciel de longueurs d'onde constitutives, une puce nanostructurée déconstruit spectralement la lumière en utilisant des centaines de filtres spectraux uniques en parallèle. Cette puce utilise des structures plasmoniques comme encodeur spectral, qui est composé de 252 tuiles, chacun présentant un motif à l'échelle nanométrique unique qui transmet un spectre de lumière distinct. En d'autres termes, le spectre lumineux inconnu à mesurer est « codé » dans la transmission de chacune de ces tuiles plasmoniques. Cet encodeur nanostructuré est fabriqué grâce à un processus de lithographie d'impression qui pourrait réduire considérablement le coût de production et permettre une mise à l'échelle de grands volumes de production.

La lumière transmise par la puce d'encodeur spectral est capturée à l'aide d'un standard, capteur d'image peu coûteux qui est couramment utilisé dans nos appareils photo pour téléphones portables, produire une image qui est ensuite introduite dans un réseau de neurones chargé de reconstruire le spectre de lumière inconnu à partir des informations d'image codées. Ce réseau de neurones de reconstruction spectrale s'est avéré produire des résultats précis beaucoup plus rapidement que d'autres approches de spectroscopie informatique, donnant un résultat en moins d'un trentième de milliseconde. Ce nouveau cadre de spectromètre alimenté par l'IA montre un chemin autour des compromis typiques entre le coût de l'appareil, Taille, la résolution et la force du signal.

« Nous ne faisons pas seulement la démonstration d'un dispositif de preuve sur concept ici, " dit Aydogan Ozcan, Chancellor's Professor of Electrical and Computer Engineering et Associate Director of the California NanoSystems Institute (CNSI), dont le groupe a mené la recherche. « Nous présentons un cadre entièrement nouveau pour la conception de spectromètres à puce. Le réseau de neurones, les spectres d'entraînement, les géométries et les matériaux des nano-encodeurs ; chacun de ces composants pourrait être optimisé pour différentes applications ou tâches spécifiques, permettant compact, spectromètres rentables qui produisent des mesures de haute qualité pour un type d'échantillon ou un régime spectral donné."

Ce cadre de spectromètre sur puce activé par l'IA pourrait trouver diverses applications allant de la surveillance environnementale des gaz et des toxines, aux diagnostics médicaux où des informations spectrales sont nécessaires pour distinguer la présence de différents biomarqueurs. Les chercheurs notent également que les tuiles plasmoniques pourraient être réduites et tesselées (comme une grille de pixels de caméra) pour effectuer une imagerie hyperspectrale, qui peut être important dans, par exemple, télédétection autonome où compact, le facteur de forme léger est essentiel.

Les autres auteurs du travail étaient les chercheurs en génie électrique et informatique Calvin Brown, Artem Gontcharov, Zachary S. Ballard et Yunzhe Qiu, étudiants de premier cycle Mason Fordham et Ashley Clemens, et professeur auxiliaire de génie électrique et informatique Yair Rivenson.

L'étude a été publiée dans la revue ACS Nano .