Un equipo de investigación de físicos de la Universidad de Harvard ha desarrollado nuevos espectrómetros portátiles capaces de ofrecer el mismo rendimiento que los grandes, instrumentos de sobremesa. La innovación de los investigadores explicada esta semana en APL Photonics , deriva de su trabajo pionero en metalentes. Los espectrómetros portátiles ofrecen una verdadera promesa para aplicaciones que van desde diagnósticos de atención médica hasta monitoreo ambiental y de alimentos.
Los espectrómetros son instrumentos muy utilizados para cuantificar la presencia de diversos compuestos biológicos o químicos en función de su interacción con la luz. Sin embargo, ser una herramienta práctica para los usuarios, como médicos al lado de la cama o inspectores de seguridad alimentaria en el campo, los espectrómetros tienen que ser portátiles, de bajo costo y fácil de usar sin equipo especializado o capacitación. Típicamente, sin embargo, Existe una compensación inherente entre el tamaño y el rendimiento del espectrómetro. Para mantener el rendimiento y reducir el tamaño del espectrómetro, Este equipo de investigadores ha desarrollado un espectrómetro que incorpora metalentes que combinan las funcionalidades de un espejo de rejilla y enfoque tradicional en un solo componente, además de tener una capacidad mucho mayor para separar espacialmente longitudes de onda (la llamada dispersión). En todo, el tamaño total del espectrómetro se reduce significativamente sin sacrificar el rendimiento.
"Esta investigación tiene sus raíces en 2011, cuando estábamos investigando las propiedades fundamentales de la luz cuando interactúa con metamateriales bidimensionales (metasuperficies) y descubrimos leyes generalizadas para la refracción y reflexión de la luz para metasuperficies, que son poderosas generalizaciones de las leyes de los libros de texto válidas para superficies ordinarias, ", explicó Federico Capasso de Harvard.
A diferencia de las lentes refractarias tradicionales que tienen un grosor de milímetros y una superficie curva característica, una meta-lente es una lente completamente plana o plana formada por millones de nanoestructuras. Utilizando técnicas litográficas, La colocación y fabricación adecuadas de estas nanoestructuras permite funcionalidades similares o mejores en comparación con las lentes tradicionales. Estos metalentes se pueden personalizar según las especificaciones del usuario, y producidos en masa utilizando las mismas fundiciones que producen chips de computadora. "Por estas razones, creemos que los metalentes son revolucionarios, "Dijo Capasso." De hecho, nuestro trabajo sobre metalentes en lo visible, publicado el año pasado, fue aclamado por la revista Science como uno de los mayores avances del año en 2016 ".
"Las aplicaciones potenciales de estos nuevos espectrómetros más pequeños son importantes para el monitoreo portátil de compuestos químicos y biológicos", dijo Alex Zhu, autor principal del artículo. "Por ejemplo, los médicos podrían brindar capacidades de diagnóstico a nivel hospitalario a los pacientes en el campo donde no se dispone de equipos sofisticados y personal altamente capacitado, proporcionar datos en una escala de tiempo de minutos a horas, en lugar de días o semanas de los métodos habituales basados en la química ". Lo mismo ocurre con el monitoreo ambiental:datos sobre contaminantes, o los productos químicos tóxicos podrían recolectarse y procesarse en tiempo real en el sitio en varios lugares con ultracompacto, espectrómetros de alto rendimiento.
El siguiente paso para aprovechar todo el potencial de estos metaespectrómetros es mejorar el rendimiento del prototipo tanto para el rango de longitud de onda de trabajo como para la resolución espectral. Esto permitiría utilizarlo para una amplia variedad de análisis, incluidos los altamente especializados para identificar proteínas o marcadores genéticos (espectroscopía Raman), que normalmente implican procesos onerosos con equipos sofisticados en un laboratorio de tamaño completo.
"El objetivo es poder lograr niveles comparables de rendimiento con un dispositivo simple de dos componentes 'plug-and-play', es decir., una meta-lente y un detector, que juntos funcionan como un meta-espectrómetro, ", Dijo Zhu." El potencial para esto ya existe en la tecnología de meta-lentes; es simplemente una cuestión de encontrar las configuraciones correctas y hacer que funcione ".
