Τα μικροσκοπικά υπολογιστικά φασματόμετρα είναι απαραίτητα για εφαρμογές on-chip και εμφυτεύσιμες εφαρμογές. Η εξαιρετικά ευαίσθητη φασματική μέτρηση χρησιμοποιώντας έναν μόνο ανιχνευτή επιτρέπει τη μείωση της κλίμακας των αποτυπωμάτων τέτοιων φασματόμετρων, επιτυγχάνοντας φασματική ανάλυση που προσεγγίζει αυτή των συστημάτων πάγκου.
Επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου ενός ερευνητή υλικών από Oregon State University, έχουν δημιουργήσει ένα καλύτερο εργαλείο για τη μέτρηση του φωτός. Αυτή η πρόοδος στην οπτική φασματομετρία θα μπορούσε να βελτιώσει οτιδήποτε, από κάμερες smartphone έως παρακολούθηση περιβάλλοντος. Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες κατέληξαν σε ένα ισχυρό, εξαιρετικά μικροσκοπικό φασματόμετρο που ταιριάζει σε ένα μικροτσίπ και λειτουργεί με τη χρήση τεχνητή νοημοσύνη.
Για να αναπτύξουν αυτό το εργαλείο, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια σχετικά νέα κατηγορία εξαιρετικά λεπτών υλικών γνωστών ως δισδιάστατοι ημιαγωγοί. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η απόδειξη της ιδέας για ένα φασματόμετρο που θα μπορούσε να εξοπλιστεί με διάφορες τεχνολογίες.
Λόγω του πλήρους ηλεκτρικού ελέγχου του στα χρώματα του φωτός που απορροφά, το εργαλείο έχει τεράστιες δυνατότητες επεκτασιμότητας και εκτεταμένης εφαρμογής.
Ο Ethan Minot, καθηγητής φυσικής στο OSU College of Science, είπε: «Έχουμε επιδείξει έναν τρόπο κατασκευής φασματόμετρων που είναι πολύ πιο μικροσκοπικά από αυτά που χρησιμοποιούνται συνήθως σήμερα. Φασματόμετρα μετρούν την ισχύ του φωτός σε διαφορετικά μήκη κύματος και είναι εξαιρετικά χρήσιμα σε πολλές βιομηχανίες και σε όλους τους τομείς της επιστήμης για την αναγνώριση δειγμάτων και τον χαρακτηρισμό υλικών».
«Τα παραδοσιακά φασματόμετρα απαιτούν ογκώδη οπτικά και μηχανικά εξαρτήματα, ενώ η νέα συσκευή θα μπορούσε να χωρέσει στο άκρο ενός ανθρώπινες τρίχες. Η νέα έρευνα προτείνει ότι αυτά τα εξαρτήματα μπορούν να αντικατασταθούν με νέα υλικά ημιαγωγών και τεχνητή νοημοσύνη, επιτρέποντας στα φασματόμετρα να μειωθούν δραματικά σε μέγεθος από τα σημερινά μικρότερα, που είναι περίπου στο μέγεθος ενός σταφυλιού».
Ο Hoon Hahn Yoon, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης με τον συνάδελφο Zhipei Sun Yoon στο Πανεπιστήμιο του Aalto, είπε: «Το φασματόμετρο μας δεν απαιτεί τη συναρμολόγηση ξεχωριστών οπτικών και μηχανικών εξαρτημάτων ή σχεδίων συστοιχιών για τη διασπορά και το φιλτράρισμα του φωτός. Επιπλέον, μπορεί να επιτύχει υψηλή ανάλυση συγκρίσιμη με συστήματα πάγκου, αλλά σε πολύ μικρότερη συσκευασία».
Ο Minot είπε, «Είναι συναρπαστικό το γεγονός ότι το φασματόμετρο μας ανοίγει δυνατότητες για κάθε είδους νέα καθημερινά gadget και όργανα να κάνουν νέα επιστήμη επίσης».
«Στην ιατρική, για παράδειγμα, τα φασματόμετρα δοκιμάζονται ήδη για την ικανότητά τους να εντοπίζουν ανεπαίσθητες αλλαγές στον ανθρώπινο ιστό, όπως η διαφορά μεταξύ όγκων και υγιών ιστών. Για περιβαλλοντική παρακολούθηση, τα φασματόμετρα μπορούν να ανιχνεύσουν τι είδους η ρύπανση είναι στον αέρα, νερό ή έδαφος και πόση ποσότητα υπάρχει."
«Θα ήταν ωραίο να έχουμε χαμηλού κόστους, φορητά φασματόμετρα που κάνουν αυτή τη δουλειά για εμάς. Και στο εκπαιδευτικό περιβάλλον, η πρακτική διδασκαλία των φυσικών εννοιών θα ήταν πιο αποτελεσματική με φθηνά, συμπαγή φασματόμετρα».
«Καθώς προχωρά η εργασία με τους δισδιάστατους ημιαγωγούς, θα ανακαλύψουμε γρήγορα νέους τρόπους χρήσης των νέων οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους. Η έρευνα για τους 2D ημιαγωγούς ήταν σοβαρή μόνο για μια ντουζίνα χρόνια, ξεκινώντας με τη μελέτη του γραφενίου, του άνθρακα που είναι διατεταγμένος σε ένα κυψελωτό πλέγμα με πάχος ενός ατόμου.
«Είναι πραγματικά συναρπαστικό. Θα συνεχίσουμε να έχουμε ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις μελετώντας τους δισδιάστατους ημιαγωγούς.
Αναφορά στο περιοδικό:
- Hoon Hahn Yoon et al. Μικροσκοπικά φασματόμετρα με ρυθμίσιμη διασταύρωση van der Waals. ΕπιστήμηΕ DOI: 10.1126/science.add8544
