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En un trabajo que algún día podría convertir los teléfonos móviles en sensores capaces de detectar virus y otros objetos diminutos, los investigadores del MIT han construido una poderosa linterna a nanoescala en un chip.
Su enfoque para diseñar el pequeño haz de luz en un chip también podría usarse para crear una variedad de otras nano linternas con diferentes características de haz para diferentes aplicaciones. Piense en un proyector que es ancho versus un haz de luz enfocado en un solo punto.
Durante muchas décadas, los científicos han utilizado la luz para identificar material al observar cómo esa luz interactúa con el material. Lo hacen esencialmente proyectando un haz de luz sobre el material y luego analizando esa luz después de que atraviesa el material. Debido a que todos los materiales interactúan con la luz de manera diferente, un análisis de la luz que atraviesa el material proporciona una especie de "huella digital" para ese material. Imagine hacer esto para múltiples colores, es decir, múltiples longitudes de onda de luz, y capturar la interacción de la luz con el material para cada color. Esto conduciría a una huella digital aún más detallada.
La mayoría de los instrumentos para hacer esto, conocidos como espectrómetros, son relativamente grandes. Hacerlos mucho más pequeños tendría una serie de ventajas. Por ejemplo, podrían ser portátiles y tener aplicaciones adicionales (imagine un teléfono celular futurista cargado con un sensor independiente para un gas específico). Sin embargo, aunque los investigadores han hecho grandes avances en la miniaturización del sensor para detectar y analizar la luz que ha pasado a través de un material determinado, un rayo de luz miniaturizado y con la forma adecuada, o linterna, sigue siendo un desafío. Hoy en día, este rayo de luz se proporciona con mayor frecuencia mediante equipos de recaudación, como un sistema láser, que no está integrado en el chip en sí como lo están los sensores.
Sensor completo
Sumérjase en el trabajo del MIT. En dos artículos recientes de Informes científicos sobre la naturaleza, los investigadores no solo describen su enfoque para diseñar linternas en chip con una variedad de características de haz, sino que también informan sobre la construcción y las pruebas exitosas de un prototipo. Es importante destacar que crearon el dispositivo utilizando tecnologías de fabricación existentes familiares para la industria de la microelectrónica, por lo que están convencidos de que el enfoque podría implementarse a escala masiva con el menor costo involucrado.
Con todo, esto podría permitir a la industria crear un sensor completo en un chip con una fuente de luz y un detector. Como resultado, el trabajo representa un avance significativo en el uso de fotónica de silicio para la manipulación de ondas de luz en microchips para aplicaciones de sensores.
“La fotónica de silicio tiene mucho potencial para mejorar y miniaturizar los esquemas de biodetección existentes a escala de laboratorio. Solo necesitamos estrategias de diseño más inteligentes para desbloquear todo su potencial. Este trabajo muestra ese enfoque ”, dice el estudiante de doctorado Robin Singh SM '18, autor principal de ambos artículos.
"Este trabajo es importante y representa un nuevo paradigma en el diseño de dispositivos fotónicos, permitiendo mejoras en la manipulación de haces ópticos", dice Dawn Tan, profesora asociada de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur, que no participó en el buscar.
Los coautores principales del primer artículo son Anuradha "Anu" Murthy Agarwal, investigadora principal del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, el Centro de Microfotónica y la Iniciativa de Innovación y Conocimiento de Fabricación; y Brian W. Anthony, investigador principal del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. Los coautores de Singh en el segundo artículo son Agarwal; Antonio; Yuqi Nie, ahora en la Universidad de Princeton; y Mingye Gao, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.
Como lo hicieron
Singh y sus colegas crearon su diseño general utilizando varias herramientas de modelado por computadora. Estos incluyeron enfoques convencionales basados en la física involucrados en la propagación y manipulación de la luz, y técnicas de aprendizaje automático más avanzadas en las que la computadora aprende a predecir posibles soluciones utilizando fuentes de luz. Grandes cantidades de datos. "Si mostramos a la computadora muchos ejemplos de nano linternas, puede aprender a hacer mejores linternas", dice Anthony. En última instancia, "entonces podemos decirle a la computadora qué modelo de luz queremos, y eso nos dirá cuál debería ser el diseño de la linterna".
Todas estas herramientas de modelado tienen ventajas y desventajas; Juntos dieron como resultado un diseño final óptimo que se puede adaptar para crear linternas con diferentes tipos de haces de luz.
Luego, los investigadores utilizaron este diseño para crear una linterna específica con un haz colimado, o una lámpara en la que los rayos de luz son perfectamente paralelos entre sí. Los haces colimados son la clave para algunos tipos de sensores. La linterna global que hicieron los investigadores involucró unas 500 estructuras rectangulares a nanoescala de diferentes dimensiones que el modelado del equipo predijo que serían posibles en un haz colimado. Las nanoestructuras de diferentes dimensiones darían lugar a distintos tipos de haces que a su vez son imprescindibles para otras aplicaciones.
La pequeña linterna con un rayo colimado estaba funcionando. No solo eso, proporcionó una viga que era cinco veces más potente de lo que es posible con estructuras convencionales. Parte de esto se debe a que "ser capaz de controlar mejor la luz significa que se dispersa y se desperdicia menos", dice Agarwal.
Singh describe la emoción que sintió al crear esta primera linterna. “Fue genial ver bajo un microscopio lo que había diseñado en una computadora. ¡Luego lo probamos y funcionó!
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Iniciativa MIT Skoltech.
Las instalaciones y departamentos adicionales del MIT que hicieron posible este trabajo son el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, el Laboratorio de Investigación de Materiales, el Instituto de Ingeniería y Ciencia Médica y el MIT.nano.
