Une lampe de poche nanométrique pourrait permettre aux futurs téléphones portables de détecter des virus

Dans le cadre de travaux qui pourraient transformer les téléphones portables en capteurs capables de détecter des virus et d’autres objets minuscules, des chercheurs du MIT ont construit une puissante lampe de poche nanométrique sur une puce.

Leur approche de la conception du minuscule faisceau lumineux sur une puce pourrait également être utilisée pour créer une variété d’autres nano-lampes de poche avec différentes caractéristiques de faisceau pour différentes applications. Pensez à un projecteur large par opposition à un faisceau de lumière concentré sur un seul point.

Les scientifiques utilisent depuis longtemps la lumière pour identifier un matériau en observant comment cette lumière interagit avec le matériau. Pour ce faire, ils projettent un faisceau de lumière sur le matériau, puis analysent cette lumière après son passage à travers le matériau. Comme tous les matériaux interagissent différemment avec la lumière, l’analyse de la lumière qui traverse le matériau fournit une sorte d’« empreinte digitale » pour ce matériau. Imaginez que vous fassiez cela pour plusieurs couleurs, c’est-à-dire plusieurs longueurs d’onde de la lumière, et que vous capturiez l’interaction de la lumière avec le matériau pour chaque couleur. Cela permettrait d’obtenir une empreinte digitale encore plus détaillée.

La plupart des instruments utilisés à cette fin, appelés spectromètres, sont relativement grands. Les rendre beaucoup plus petits présenterait un certain nombre d’avantages. Par exemple, ils pourraient être portables et avoir des applications supplémentaires (imaginez un téléphone portable futuriste équipé d’un capteur autonome pour un gaz spécifique). Cependant, si les chercheurs ont fait de grands progrès dans la miniaturisation du capteur pour détecter et analyser la lumière qui a traversé un matériau donné, un faisceau lumineux miniaturisé et de forme appropriée – ou une lampe de poche – reste un défi. Aujourd’hui, ce faisceau lumineux est le plus souvent fourni par un équipement à grande échelle, comme un système laser, qui n’est pas intégré à la puce elle-même comme le sont les capteurs.

Capteur complet

C’est là qu’interviennent les travaux du MIT. Dans deux articles récents parus dans Nature Scientific Reports, l’équipe décrit non seulement son approche de la conception de lampes de poche sur puce avec une variété de caractéristiques de faisceau, mais elle rapporte également la construction et le test réussi d’un prototype. Il est important de noter qu’ils ont créé le dispositif à l’aide de technologies de fabrication existantes et familières à l’industrie de la microélectronique. Ils sont donc convaincus que cette approche pourrait être déployée à grande échelle avec le coût inférieur que cela implique.

Globalement, cela pourrait permettre à l’industrie de créer un capteur complet sur une puce, avec à la fois une source de lumière et un détecteur. Par conséquent, ces travaux représentent une avancée significative dans l’utilisation de la photonique du silicium pour la manipulation des ondes lumineuses sur des micropuces pour des applications de capteurs.

« Ce travail est significatif et représente un nouveau paradigme de la conception de dispositifs photoniques, permettant d’améliorer la manipulation des faisceaux optiques », explique Dawn Tan, professeur associé à l’Université de technologie et de design de Singapour, qui n’a pas participé à la recherche.

« La photonique au silicium offre un potentiel énorme pour améliorer et miniaturiser les systèmes de biodétection existants. Nous avons simplement besoin de stratégies de conception plus intelligentes pour exploiter tout son potentiel. Ce travail montre une telle approche », déclare Robin Singh, auteur principal des deux articles. Robin Singh a obtenu une maîtrise (2018) et un doctorat (2020) du MIT, tous deux en génie mécanique.

Les coauteurs principaux du premier article sont Anuradha Murthy Agarwal, chercheur principal au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT, et Brian W. Anthony, chercheur principal au département de génie mécanique du MIT. Les coauteurs du second article sont Agarwal, Anthony, Yuqi Nie, actuellement à l’université de Princeton, et Mingye Gao, étudiant diplômé du département d’ingénierie électrique et d’informatique du MIT.

Comment ils ont procédé

Singh et ses collègues ont créé leur conception globale à l’aide de plusieurs outils de modélisation informatique. Il s’agit notamment d’approches conventionnelles basées sur la physique de la propagation et de la manipulation de la lumière, et de techniques d’apprentissage automatique plus pointues dans lesquelles on apprend à l’ordinateur à prédire des solutions potentielles à partir d’énormes quantités de données. « Si nous montrons à l’ordinateur de nombreux exemples de nano-lampes de poche, il peut apprendre à fabriquer de meilleures lampes de poche », explique Anthony. En fin de compte, « nous pouvons alors indiquer à l’ordinateur le modèle de lumière que nous voulons, et il nous dira quelle doit être la conception de la lampe de poche ».

Tous ces outils de modélisation présentent des avantages et des inconvénients ; ensemble, ils ont permis d’obtenir une conception finale optimale qui peut être adaptée pour créer des lampes de poche avec différents types de faisceaux lumineux.

Les chercheurs ont ensuite utilisé ce modèle pour créer une lampe de poche spécifique avec un faisceau collimaté, c’est-à-dire un faisceau dans lequel les rayons lumineux sont parfaitement parallèles les uns aux autres. Les faisceaux collimatés sont essentiels pour certains types de capteurs. La lampe torche fabriquée par les chercheurs comportait quelque 500 structures nanométriques rectangulaires de différentes dimensions qui, selon la modélisation de l’équipe, permettaient d’obtenir un faisceau collimaté. Les nanostructures de différentes dimensions permettraient d’obtenir différents types de faisceaux qui, à leur tour, sont essentiels à d’autres applications.

La petite lampe de poche à faisceau collimaté a fonctionné. En outre, elle a produit un faisceau cinq fois plus puissant que celui obtenu avec des structures conventionnelles. Cela s’explique en partie par le fait que « le fait de pouvoir mieux contrôler la lumière signifie qu’elle est moins dispersée et perdue », explique M. Agarwal.

Singh décrit l’excitation qu’il a ressentie en créant cette première lampe de poche. « C’était génial de voir au microscope ce que j’avais conçu sur ordinateur. Puis nous l’avons testée, et elle a fonctionné ! »

Cette recherche a été soutenue en partie par l’initiative Skoltech du MIT.

yogaesoteric
25 mai 2021