Gekko's en vele andere dieren hebben koppen die te klein zijn om de locatie van geluiden te trianguleren zoals wij doen, met wijd uit elkaar staande oren. In plaats daarvan, ze hebben een kleine tunnel door hun hoofd die de manier meet waarop binnenkomende geluidsgolven rondkaatsen om erachter te komen uit welke richting ze kwamen.

Geconfronteerd met hun eigen probleem van minuscule grootte en triangulatie, onderzoekers van Stanford University hebben een soortgelijk systeem bedacht om de hoek van invallend licht te detecteren. Zo'n systeem zou kleine camera's kunnen laten detecteren waar het licht vandaan komt, maar zonder het grootste deel van een grote lens.

"Het is moeilijk om op je fotocamera een kleine pixel te maken die zegt dat er licht uit deze of gene richting komt, omdat, ideaal, de pixels zijn erg klein – tegenwoordig ongeveer 1/100e van een haar, zei Mark Brongersma, hoogleraar materiaalkunde en techniek die senior auteur is van een paper over dit systeem, gepubliceerd op 29 oktober in Natuur Nanotechnologie . "Dus het is alsof je twee ogen heel dicht bij elkaar hebt en ze probeert over te steken om te zien waar het licht vandaan komt."

Deze onderzoekers werken aan kleine detectoren die veel kenmerken van licht kunnen registreren, inclusief kleur, polariteit en, nu, hoek van licht. Voor zover ze weten, het systeem dat ze in dit artikel hebben beschreven, is het eerste dat aantoont dat het mogelijk is om de lichthoek te bepalen met zo'n kleine opstelling.

"De typische manier om de richting van het licht te bepalen, is door een lens te gebruiken. Maar die zijn groot en er zijn geen vergelijkbare mechanismen wanneer je een apparaat krimpt, dus het is kleiner dan de meeste bacteriën, " zei Shanhui Fan, hoogleraar elektrotechniek, wie is een co-auteur van het papier.

Meer gedetailleerde lichtdetectie zou vooruitgang in lensloze camera's kunnen ondersteunen, augmented reality en robotvisie, wat belangrijk is voor zelfrijdende auto's.

Van atomen tot gekko's

Als er geen geluid rechtstreeks van de bovenkant van de gekko komt, het ene trommelvlies steelt in wezen een deel van de geluidsgolfenergie die anders naar het andere zou tunnelen. Deze gevolgtrekking helpt de gekko - en ongeveer 15, 000 andere diersoorten met een vergelijkbare tunnel – begrijp waar een geluid vandaan komt.

De onderzoekers bootsen deze structuur na in hun fotodetector door twee silicium nanodraden - elk ongeveer 100 nanometer in diameter of ongeveer 1/1000ste zo breed als een haar - naast elkaar te zetten, zoals het trommelvlies van de gekko. Ze zijn zo dicht bij elkaar geplaatst dat wanneer een lichtgolf schuin binnenkomt, de draad die zich het dichtst bij de lichtbron bevindt, interfereert met de golven die zijn buur raken, eigenlijk een schaduw werpen. De eerste draad die het licht detecteert, zou dan de sterkste stroom sturen. Door de stroom in beide draden te vergelijken, de onderzoekers kunnen de hoek van binnenkomende lichtgolven in kaart brengen.

Gekko's waren niet de inspiratie voor de eerste constructie van dit systeem. Songyu Yi, een afgestudeerde student in elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, die hoofdauteur is van het artikel, kwam de gelijkenis tussen hun ontwerp en de oren van de gekko's tegen nadat het werk al was begonnen. Ze waren allemaal verrast door de diepe gelijkenis. Zoals het blijkt, dezelfde wiskunde die zowel de gekko-oren als deze fotodetector verklaart, beschrijft ook een interferentiefenomeen tussen dicht op elkaar staande atomen.

"Aan de theoretische kant, het is eigenlijk heel interessant om te zien dat veel van de fundamentele interferentieconcepten die helemaal naar de kwantummechanica gaan, verschijnen in een apparaat dat praktisch kan worden gebruikt, " zei Fan.

Een verbintenis op lange termijn

Dit project begon toen een van de co-auteurs van het artikel, Zongfu Yu, was student in het Fanlab en nam het initiatief om zijn werk daar te combineren met onderzoek van Brongersma en zijn lab. Ze boekten vooruitgang, maar moesten het werk on hold zetten terwijl Yu solliciteerde naar facultaire posities en, vervolgens, vestigde zijn laboratorium aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, waar hij nu een assistent-professor elektrische en computertechniek is en in wiens lab Soongyu Yi werkt.

Vele jaren later, en na publicatie van de huidige proof-of-concept, de onderzoekers zeiden dat ze ernaar uitkijken om voort te bouwen op hun resultaten. De volgende stappen zijn onder meer beslissen wat ze nog meer van licht willen meten en verschillende nanodraden naast elkaar plaatsen om te zien of ze een volledig beeldvormingssysteem kunnen bouwen dat alle details waarin ze geïnteresseerd zijn in één keer vastlegt.

"We hebben hier lang aan gewerkt - Zongfu heeft een heel levensverhaal gehad tussen het begin en het einde van dit project! Het laat zien dat we geen concessies hebben gedaan aan kwaliteit, "Zei Brongersma. "En het is leuk om te bedenken dat we hier misschien nog 20 jaar zijn om alle mogelijkheden van dit systeem uit te zoeken."