Les spectromètres sont largement utilisés dans l’industrie et la recherche pour détecter et analyser la lumière. Les spectromètres mesurent le spectre de la lumière – sa force à différentes longueurs d’onde, comme les couleurs d’un arc-en-ciel – et sont un outil essentiel pour identifier et analyser des spécimens et des matériaux. Les spectromètres intégrés sur puce seraient très utiles à diverses technologies, notamment les plates-formes d’inspection de la qualité, les capteurs de sécurité, les analyseurs biomédicaux, les systèmes de soins de santé, les outils de surveillance de l’environnement et les télescopes spatiaux.
Une équipe de recherche internationale dirigée par des chercheurs de l’Université Aalto a développé des spectromètres à haute sensibilité avec une précision de longueur d’onde élevée, une résolution spectrale élevée et une large bande passante de fonctionnement, en utilisant un seul détecteur de la taille d’une micropuce. Les recherches derrière ce nouveau spectromètre ultra-miniaturisé ont été publiées aujourd’hui dans la revue La science.
« Notre spectromètre à détecteur unique est un appareil tout-en-un. Nous avons conçu ce laboratoire optoélectronique sur puce avec une intelligence artificielle remplaçant le matériel conventionnel, tel que les composants optiques et mécaniques. Par conséquent, notre spectromètre informatique ne nécessite pas de séparation composants volumineux ou conceptions de matrices pour disperser et filtrer la lumière. Il peut atteindre une résolution élevée comparable aux systèmes de paillasse, mais dans un boîtier beaucoup plus petit », explique le chercheur postdoctoral Hoon Hahn Yoon.
« Avec notre spectromètre, nous pouvons mesurer l’intensité lumineuse à chaque longueur d’onde au-delà du spectre visible à l’aide d’un appareil à portée de main. L’appareil est entièrement contrôlable électriquement, il a donc un énorme potentiel d’évolutivité et d’intégration. L’intégrer directement dans des appareils portables tels que les smartphones et les drones pourraient améliorer notre vie quotidienne. Imaginez que la prochaine génération de caméras de nos smartphones puisse être équipée de caméras hyperspectrales plus performantes que les caméras couleur », ajoute-t-il.
La réduction des spectromètres informatiques est essentielle pour leur utilisation dans les puces et les applications implantables. Le professeur Zhipei Sun, chef de l’équipe de recherche, déclare : « Les spectromètres conventionnels sont volumineux car ils nécessitent des composants optiques et mécaniques, de sorte que leurs applications sur puce sont limitées. Il existe une demande émergente dans ce domaine pour améliorer les performances et la convivialité des spectromètres. De ce point de vue, les spectromètres miniaturisés sont très importants pour offrir des performances élevées et de nouvelles fonctions dans tous les domaines de la science et de l’industrie. »
Le professeur Pertti Hakonen ajoute que « la Finlande et Aalto ont investi dans la recherche en photonique ces dernières années. Par exemple, le centre d’excellence de l’Académie de Finlande sur la technologie quantique, Flagship on Photonics Research and Innovation, InstituteQ et l’Otanano Infrastructure. Notre nouveau spectromètre est une démonstration claire du succès de ces efforts de collaboration. Je pense qu’avec de nouvelles améliorations de la résolution et de l’efficacité, ces spectromètres pourraient fournir de nouveaux outils pour le traitement de l’information quantique.
Hoon Hahn Yoon et al, Spectromètres miniaturisés avec une jonction accordable de van der Waals, La science (2022). DOI : 10.1126/science.add8544. www.science.org/doi/10.1126/science.add8544