In werk dat mobiele telefoons zou kunnen veranderen in sensoren die virussen en andere minuscule objecten kunnen detecteren, MIT-onderzoekers hebben een krachtige zaklamp op nanoschaal op een chip gebouwd.

Hun benadering van het ontwerpen van de kleine lichtstraal op een chip kan ook worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan andere nano-zaklampen te maken met verschillende straalkenmerken voor verschillende toepassingen. Denk aan een brede schijnwerper versus een lichtstraal gericht op een enkel punt.

Wetenschappers gebruiken licht al lang om een ​​materiaal te identificeren door te observeren hoe dat licht interageert met het materiaal. Ze doen dit door in wezen een lichtstraal op het materiaal te laten schijnen, analyseer vervolgens dat licht nadat het door het materiaal is gegaan. Omdat alle materialen anders omgaan met licht, een analyse van het licht dat door het materiaal gaat, levert een soort "vingerafdruk" op voor dat materiaal. Stel je voor dat je dit voor meerdere kleuren doet, d.w.z. meerdere golflengten van licht, en het vastleggen van de interactie van licht met het materiaal voor elke kleur. Dat zou leiden tot een vingerafdruk die nog gedetailleerder is.

De meeste instrumenten om dit te doen, bekend als spectrometers, zijn relatief groot. Ze veel kleiner maken zou een aantal voordelen hebben. Bijvoorbeeld, ze kunnen draagbaar zijn en extra toepassingen hebben (stel je een futuristische mobiele telefoon voor die is geladen met een op zichzelf staande sensor voor een specifiek gas). Echter, terwijl onderzoekers grote vooruitgang hebben geboekt bij het miniaturiseren van de sensor voor het detecteren en analyseren van het licht dat door een bepaald materiaal is gegaan, een geminiaturiseerde en passend gevormde lichtstraal - of zaklamp - blijft een uitdaging. Tegenwoordig wordt die lichtstraal meestal geleverd door apparatuur op macroschaal, zoals een lasersysteem dat niet in de chip zelf is ingebouwd zoals de sensoren.

Volledige sensor

Voer het MIT-werk in. In twee recente kranten in Natuurwetenschappelijke rapporten , het team beschrijft niet alleen hun aanpak voor het ontwerpen van on-chip zaklampen met een verscheidenheid aan straalkenmerken, ze rapporteren ook het bouwen en met succes testen van een prototype. belangrijk, ze hebben het apparaat gemaakt met behulp van bestaande fabricagetechnologieën die bekend zijn in de micro-elektronica-industrie, dus ze zijn ervan overtuigd dat de aanpak op grote schaal kan worden ingezet tegen de lagere kosten die dat met zich meebrengt.

Algemeen, dit zou de industrie in staat kunnen stellen om een ​​complete sensor op een chip te maken met zowel lichtbron als detector. Als resultaat, het werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in het gebruik van siliciumfotonica voor de manipulatie van lichtgolven op microchips voor sensortoepassingen.

"Dit werk is belangrijk, en vertegenwoordigt een nieuw paradigma van fotonisch apparaatontwerp, waardoor verbeteringen in de manipulatie van optische stralen mogelijk zijn, " zegt Dawn Tan, een universitair hoofddocent aan de Singapore University of Technology and Design die niet bij het onderzoek was betrokken.

"Siliciumfotonica heeft zoveel potentieel om de bestaande biosensing-schema's op bankschaal te verbeteren en te miniaturiseren. We hebben alleen slimmere ontwerpstrategieën nodig om het volledige potentieel te benutten. Dit werk toont een dergelijke benadering, " zegt Robin Singh, hoofdauteur van beide artikelen. Singh ontving de MS (2018) en Ph.D. (2020) van het MIT, beide in de werktuigbouwkunde.

De senior co-auteurs van het eerste artikel zijn Anuradha Murthy Agarwal, een hoofdonderzoeker in het Materials Research Laboratory van MIT, en Brian W. Anthony, een hoofdonderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. Singh's coauteurs op het tweede artikel zijn Agarwal; Antonius; Yuqi Nie, nu aan de Princeton University; en Mingye Gao, een afgestudeerde student in MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science.

Hoe ze het deden

Singh en collega's creëerden hun algehele ontwerp met behulp van meerdere computermodelleringstools. Deze omvatten conventionele benaderingen gebaseerd op de fysica die betrokken is bij de voortplanting en manipulatie van licht, en meer geavanceerde machine learning-technieken waarbij de computer wordt geleerd om potentiële oplossingen te voorspellen met behulp van enorme hoeveelheden gegevens. "Als we de computer veel voorbeelden van nano-zaklampen laten zien, het kan leren betere zaklampen te maken, " zegt Anthony. Uiteindelijk, "dan kunnen we de computer het lichtpatroon vertellen dat we willen, en het zal ons vertellen wat het ontwerp van de zaklamp moet zijn."

Al deze modelleringstools hebben voor- en nadelen; samen resulteerden ze in een finale, optimaal ontwerp dat kan worden aangepast om zaklampen te maken met verschillende soorten lichtstralen.

De onderzoekers gebruikten dat ontwerp om een ​​specifieke zaklamp te maken met een gecollimeerde straal, of een waarin de lichtstralen perfect evenwijdig aan elkaar zijn. Gecollimeerde bundels zijn de sleutel tot sommige soorten sensoren. De totale zaklamp die de onderzoekers maakten, omvatte zo'n 500 rechthoekige nanoschaalstructuren van verschillende afmetingen waarvan de modellering van het team voorspelde dat ze een gecollimeerde straal mogelijk zouden maken. Nanostructuren van verschillende afmetingen zouden leiden tot verschillende soorten bundels die op hun beurt de sleutel zijn tot andere toepassingen.

De kleine zaklamp met een gecollimeerde straal werkte. Niet alleen dat, het leverde een straal op die vijf keer krachtiger was dan mogelijk is met conventionele constructies. Dat komt deels omdat "het licht beter kunnen beheersen, betekent dat er minder verstrooid en verloren gaat, ' zegt Agarwal.

Singh beschrijft de opwinding die hij voelde bij het maken van die eerste zaklamp. "Het was geweldig om door een microscoop te zien wat ik op een computer had ontworpen. Toen hebben we het getest, en het werkte!"

Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door het MIT Skoltech Initiative.

Als hoofdonderzoeker in het Microphotonics Center en het Initiative for Knowledge and Innovation in Manufacturing (IKIM), Agarwal erkent haar collega's voor het bieden van de vruchtbare intellectuele omgeving voor dit werk.

Aanvullende MIT-faciliteiten en afdelingen die dit werk mogelijk hebben gemaakt, zijn de afdeling Materials Science and Engineering, het laboratorium voor materiaalonderzoek, het Instituut voor Medische Technologie &Wetenschap, en MIT.nano.