La source de lumière multicolore donne un coup de pouce à la spectroscopie compressive

Un réseau de dispositifs électroniques à semi-conducteurs qui produit une lumière modulée dans le temps à des longueurs d'onde accordables a été dévoilé par des chercheurs aux États-Unis. Les utilisations possibles de l'appareil comprennent la spectroscopie compressive, qui est beaucoup plus facile à réaliser en dehors du laboratoire que la spectroscopie conventionnelle.

Traditionnellement, les dispositifs tels que les spectromètres optiques utilisent une seule source lumineuse à large bande pour éclairer un échantillon avant d'utiliser des réseaux de diffraction ou d'autres dispositifs optiques pour mesurer la lumière émise ou absorbée en fonction de sa longueur d'onde. Il est possible de réduire cela à l'échelle microscopique en utilisant des techniques telles que les filtres à points quantiques colloïdaux, mais ceux-ci nécessitent une source de lumière à large bande appropriée. De plus, ce sont des détecteurs passifs, ce qui signifie qu'ils produisent un signal qui peut être difficile à séparer de la lumière ambiante.

Une autre approche, qui évite la nécessité d'une mesure sensible au spectre, consiste à faire varier la longueur d'onde de la lumière d'éclairage.

Vivian Wang de l'Université de Californie à Berkeley, explique le principe : « Disons que vous avez une pomme ou quelque chose qui ressemble à une certaine couleur à vos yeux : comment caractérisez-vous cela quantitativement ? Vous pouvez faire briller une source contenant une très large gamme de longueurs d'onde sur l'objet, puis mesurer les longueurs d'onde qui ressortent à l'aide d'un spectromètre, ou vous pouvez faire briller différentes couleurs de lumière sur l'objet, puis simplement mesurer la lumière totale réfléchie sur un détecteur à point unique pour chacune de ces couleurs.

Détection de verrouillage

Un avantage de cette dernière approche est que la longueur d'onde et/ou l'intensité du rayonnement incident peuvent être modulées à une fréquence contrôlée, de sorte que le signal dans la lumière détectée est facile à séparer du bruit. "Lorsque vous avez quelque chose qui est intrinsèquement pulsé, vous pouvez détecter l'émission de lumière en utilisant quelque chose appelé détection de verrouillage", explique Wang.

Fabriquer plusieurs LED sur la même puce peut être difficile, voire impossible, ce qui limiterait le nombre de longueurs d'onde différentes pouvant être incluses. En 2020, cependant, les collègues de Wang et de l'UC Berkeley dirigés par Ali Javey avait fait une surprenante découverte.

"Nous avions joué avec des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels et nous avons découvert que, lorsque nous les placions sur des condensateurs sur des tranches de silicium, ils émettaient de la lumière par excitation électrique", explique Wang. "Nous avons découvert que nous pouvions également obtenir une émission électrique à partir d'autres matériaux à l'aide de condensateurs à impulsions... La raison pour laquelle cela fonctionne est vraiment compliquée et est décrite dans certains de nos précédents articles."

Aujourd'hui, l'équipe a fait de cette innovation une étape importante vers une véritable application d'ingénierie. Ils ont monté une grille de réseaux de nanotubes de carbone conducteurs, chacun avec sa propre entrée de courant, au-dessus d'une couche de dioxyde de silicium, qui était à son tour posée sur une couche de silicium dopé. Sur ces réseaux de nanotubes de carbone, ils ont déposé 49 matériaux électroluminescents différents, allant des points quantiques de séléniure de cadmium aux matériaux actifs des LED organiques. Lorsqu'ils connectaient la puce à une alimentation en courant alternatif, ils pouvaient produire une lumière multicolore avec des longueurs d'onde accordables, car la charge de n'importe quel condensateur individuel ferait s'allumer l'émetteur du dessus.

Algorithme informatique compressif

"Si nous voulons créer différentes combinaisons de lumière, nous pouvons allumer différentes combinaisons d'appareils en même temps", explique Wang. Les chercheurs utilisent ensuite un algorithme informatique compressif pour estimer le spectre de réflexion complet sur la base des informations fournies par les réflexions de chaque impulsion.

En plus de la spectroscopie, les chercheurs affirment que l'appareil a des applications potentielles dans d'autres domaines tels que la microscopie. L'équipe travaille maintenant à rendre leur gamme commercialement viable.

Le spectromètre imageur s'amincit

"Nous avons démontré certaines possibilités intéressantes pour cette structure d'appareil, comme la création de nouveaux exemples de mesure spectrale, mais en ce moment, nous essayons d'améliorer les performances de ces appareils - comme la luminosité, l'efficacité et la stabilité", explique Wang.

Le réseau est décrit dans un article de Science Advances.

"C'est un article très intéressant et potentiellement très important", déclare Zong Fu Yu de l'Université du Wisconsin-Madison ; "Ils résolvent certains des problèmes de la méthode traditionnelle [de détection spectrale] où un instrument volumineux est nécessaire comme source de lumière accordable. Yu et un collègue ont initialement proposé l'idée de la détection par compression en 2014 : « Cela a suscité un énorme intérêt de la part de l'industrie, mais nous n'avions aucune idée de la manière dont nous réaliserions la source lumineuse à l'époque », dit-il ; "Plus tard, nous avons travaillé avec une source de lumière fixe à l'aide de filtres, mais avant de lire cet article hier, je n'avais aucune idée de la façon dont les gens pouvaient réaliser une source de lumière accordable avec une gamme spectrale aussi diversifiée."

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• La source: https://physicsworld.com/a/multicoloured-light-source-gives-compressive-spectroscopy-a-boost/