Ao longo dos anos, a análise da composição química das substâncias exigiu instrumentos de laboratório grandes e caros, conhecidos como espectrômetros. Esses sistemas são usados em tudo, desde diagnóstico de doenças e inspeção de alimentos até monitoramento de contaminação. Os espectrômetros tradicionais funcionam dividindo a luz em suas cores componentes usando prismas ou grades e medindo então a intensidade de cada comprimento de onda. Como esse processo exige que a luz percorra distâncias relativamente longas, os dispositivos costumam ser volumosos e difíceis de miniaturizar.
Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia Davis (UC Davis) desenvolveram uma alternativa dramaticamente menor. escrito em Fotônica avançadaA equipe descreve um espectrômetro em um chip que se aproxima do tamanho de um grão de areia. Em vez de depender de grandes elementos ópticos para separar fisicamente a luz, o novo sistema utiliza inteligência artificial (IA) e um pequeno conjunto de sensores especialmente projetados para reconstruir computacionalmente o espectro.
Substituindo óptica volumosa por IA
O chip evita o método padrão de emissão de luz em um arco-íris. Em vez disso, ele conta com 16 detectores de silício exclusivos, cada um projetado para reagir de maneira ligeiramente diferente à luz que entra. Em vez de distinguir cores individuais diretamente, os detectores coletam sinais codificados que contêm informações espectrais ocultas.
Uma maneira de pensar sobre o sistema é como um grupo de provadores especializados que experimentam diferentes aspectos da mesma mistura complexa. Individualmente, cada detector captura apenas parte da imagem. Juntos, porém, eles criam informações suficientes para que a IA reconstrua o espectro de luz original.
O segundo componente principal é uma rede neural totalmente conectada e treinada em milhares de instâncias. Como os sinais do detector são ruidosos e altamente codificados, a IA aprende relações complexas entre esses sinais e o espectro real da luz. Este método resolve o que os pesquisadores chamam de “problema inverso”, permitindo ao sistema reproduzir dados espectrais com uma precisão de resolução de cerca de 8 nm sem usar hardware óptico volumoso.
O silício se estende até a faixa infravermelha
Um grande avanço veio da modificação da superfície dos fotodiodos de silício padrão com texturas de superfície especializadas em captura de fótons (PTSTs). O silício geralmente funciona bem para detectar luz visível, mas tem dificuldade para capturar luz infravermelha próxima (NIR) (comprimentos de onda de até 1100 nm). A luz NIR é particularmente importante para aplicações como imagens biomédicas porque pode penetrar mais profundamente no tecido humano do que a luz visível.
As superfícies PTST projetadas alteram o comportamento da luz dentro do chip. Em vez de permitir que os fótons NIR passem diretamente através da fina camada de silício, a superfície texturizada espalha a luz para frente e para trás, aumentando a probabilidade de o silício absorvê-la. Como resultado, o chip torna-se sensível em uma faixa espectral muito mais ampla do que os sensores de silício padrão.
Capturando interações de luz ultrarrápidas
A nova arquitetura oferece mais do que uma simples detecção de cores. O chip incorpora sensores de alta velocidade capazes de medir a vida útil dos fótons com precisão temporal extremamente alta. Isso permite que o dispositivo detecte interações muito rápidas entre a luz e a matéria que os espectrômetros tradicionais podem perder completamente.
Os pesquisadores dizem que essa capacidade poderia abrir a porta para formas avançadas de detecção e imagem que anteriormente exigiam sistemas muito maiores e mais caros.
Pegada pequena com grande potencial
O sistema completo ocupa apenas 0,4 mm quadrado, mantendo alta sensibilidade e forte resistência a ruídos elétricos, um grande desafio para eletrônicos portáteis e de baixo custo. Mesmo em ambientes ruidosos, o design assistido por IA pode manter uma qualidade de sinal nítida.
Ao combinar o aprendizado de máquina com a detecção avançada de luz de silício, a tecnologia pode abrir caminho para dispositivos compactos de detecção hiperespectral em tempo real. As aplicações potenciais variam desde diagnósticos médicos portáteis e monitores de saúde vestíveis até sensoriamento remoto ambiental e análise de qualidade de alimentos.
