Una representación artística de un nuevo tipo de detector de imágenes multiespectrales. Dependiendo de su tamaño y espaciado, nanocubos colocados sobre una fina capa de oro atrapan frecuencias específicas de luz, que calienta los materiales debajo para crear una señal electrónica. Crédito:Ella Maru Studio
Investigadores de la Universidad de Duke han demostrado fotodetectores que podrían abarcar un rango sin precedentes de frecuencias de luz mediante el uso de filtros espectrales en chip creados por materiales electromagnéticos personalizados. La combinación de varios fotodetectores con diferentes respuestas de frecuencia en un solo chip podría permitir ligereza, Cámaras multiespectrales económicas para aplicaciones como la cirugía del cáncer, inspección de seguridad alimentaria y agricultura de precisión.
Una cámara típica solo captura luz visible, que es una pequeña fracción del espectro disponible. Otras cámaras pueden especializarse en longitudes de onda infrarrojas o ultravioleta, por ejemplo, pero pocos pueden capturar la luz de puntos dispares a lo largo del espectro. Y aquellos que pueden sufrir una gran cantidad de inconvenientes, como una fabricación complicada y poco fiable, velocidades funcionales lentas, voluminosos que pueden dificultar su transporte, y cuesta hasta cientos de miles de dólares.
En una investigación que aparece en línea el 25 de noviembre en la revista Materiales de la naturaleza , Los investigadores de Duke demuestran un nuevo tipo de fotodetector de amplio espectro que se puede implementar en un solo chip, lo que le permite capturar una imagen multiespectral en unas pocas billonésimas de segundo y producirse por solo decenas de dólares. La tecnología se basa en la física llamada plasmónica:el uso de fenómenos físicos a nanoescala para atrapar ciertas frecuencias de luz.
"La luz atrapada provoca un fuerte aumento de temperatura, lo que nos permite utilizar estos materiales geniales pero casi olvidados llamados piroeléctricos, "dijo Maiken Mikkelsen, el Profesor Asociado James N. y Elizabeth H. Barton de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Duke. "Pero ahora que los desempolvamos y los combinamos con tecnología de punta, hemos podido fabricar estos detectores increíblemente rápidos que también pueden detectar la frecuencia de la luz entrante ".
Según Mikkelsen, Los fotodetectores comerciales se han fabricado con este tipo de materiales piroeléctricos antes, pero siempre han sufrido dos grandes inconvenientes. No han podido enfocarse en frecuencias electromagnéticas específicas, y las gruesas capas de material piroeléctrico necesarias para crear suficiente señal eléctrica han hecho que funcionen a velocidades muy lentas.
"Pero nuestros detectores plasmónicos pueden girarse a cualquier frecuencia y atrapar tanta energía que generan bastante calor, "dijo Jon Stewart, estudiante de posgrado en el laboratorio de Mikkelsen y primer autor del artículo. "Esa eficiencia significa que solo necesitamos una fina capa de material, lo que acelera enormemente el proceso ".
El récord anterior de tiempos de detección en cualquier tipo de cámara térmica con filtro en chip, si utiliza materiales piroeléctricos o no, fue 337 microsegundos. El enfoque basado en plasmónicos de Mikkelsen provocó una señal en solo 700 picosegundos, que es aproximadamente 500, 000 veces más rápido. Pero debido a que esos tiempos de detección estaban limitados por los instrumentos experimentales utilizados para medirlos, los nuevos fotodetectores podrían funcionar incluso más rápido en el futuro.
Un nuevo tipo de peso ligero Una cámara hiperespectral económica podría permitir la agricultura de precisión. Este gráfico muestra cómo se pueden ajustar diferentes píxeles a frecuencias de luz específicas que indican las diversas necesidades de un campo de cultivo. Crédito:Maiken Mikkelsen y Jon Stewart, Universidad de Duke
Para lograr esto, Mikkelsen y su equipo crearon cubos de plata de solo cien nanómetros de ancho y los colocaron en una película transparente solo unos pocos nanómetros por encima de una fina capa de oro. Cuando la luz incide en la superficie de un nanocubo, excita los electrones de la plata, atrapando la energía de la luz, pero solo a una frecuencia específica.
El tamaño de los nanocubos de plata y su distancia desde la capa base de oro determinan esa frecuencia, mientras que la cantidad de luz absorbida se puede ajustar controlando el espacio entre las nanopartículas. Al adaptar con precisión estos tamaños y espacios, los investigadores pueden hacer que el sistema responda a cualquier frecuencia electromagnética que deseen.
Para aprovechar este fenómeno físico fundamental para una cámara hiperespectral comercial, los investigadores tendrían que crear una cuadrícula de pequeños detectores individuales, cada uno sintonizado a una frecuencia de luz diferente, en un 'superpíxel' más grande.
En un paso hacia ese fin, el equipo demuestra cuatro fotodetectores individuales adaptados a longitudes de onda entre 750 y 1900 nanómetros. Las metasuperficies plasmónicas absorben energía de frecuencias específicas de luz entrante y se calientan. El calor induce un cambio en la estructura cristalina de una capa delgada de material piroeléctrico llamado nitruro de aluminio que se encuentra directamente debajo de ellos. Ese cambio estructural crea un voltaje, que luego es leído por una capa inferior de un contacto semiconductor de silicio que transmite la señal a una computadora para analizar.
"No era nada obvio que pudiéramos hacer esto, ", dijo Mikkelsen." Es bastante asombroso que nuestros fotodetectores no solo funcionen, pero estamos viendo nuevos fenómenos físicos inesperados que nos permitirán acelerar la rapidez con la que podemos hacer esta detección en muchos órdenes de magnitud ".
Mikkelsen ve varios usos potenciales para las cámaras comerciales basadas en la tecnología, debido a que el proceso requerido para fabricar estos fotodetectores es relativamente rápido, económico y escalable.
Los cirujanos pueden usar imágenes multiespectrales para diferenciar entre tejido canceroso y tejido sano durante la cirugía. Los inspectores de seguridad de alimentos y agua podrían usarlo para saber cuándo una pechuga de pollo está contaminada con bacterias peligrosas.
Los nuevos fotodetectores que permiten cámaras multiespectrales con un rango de frecuencia sin precedentes se construyen a partir de tres capas. El tamaño y el espaciado de los nanocubos de plata en una fina capa de oro dicta la frecuencia que absorben. haciendo que se calienten. Una capa delgada de un material piroeléctrico llamado nitruro de aluminio convierte el calor en una señal eléctrica, que es recogido y transportado por una capa de semiconductor de silicio en la parte inferior. Crédito:Jon Stewart, Universidad de Duke
Con el apoyo de una nueva beca Moore Inventor Fellowship de la Fundación Gordon y Betty Moore, Mikkelsen ha puesto su mirada en la agricultura de precisión como primer objetivo. Si bien las plantas solo pueden verse verdes o marrones a simple vista, la luz fuera del espectro visible que se refleja en sus hojas contiene una gran cantidad de información valiosa.
"Obtener una 'huella digital espectral' puede identificar con precisión un material y su composición, "dijo Mikkelsen." No solo puede indicar el tipo de planta, pero también puede determinar su condición, si necesita agua, está estresado o tiene un bajo contenido de nitrógeno, indicando una necesidad de fertilizante. Es realmente asombroso cuánto podemos aprender sobre las plantas simplemente estudiando una imagen espectral de ellas ".
Las imágenes hiperespectrales podrían permitir la agricultura de precisión al permitir fertilizantes, pesticidas, herbicidas y agua para aplicar solo donde sea necesario, ahorrando agua y dinero y reduciendo la contaminación. Imagine una cámara hiperespectral montada en un dron que mapea el estado de un campo y transmite esa información a un tractor diseñado para distribuir fertilizantes o pesticidas a tasas variables en los campos.
Se estima que el proceso que se utiliza actualmente para producir fertilizantes representa hasta el dos por ciento del consumo mundial de energía y hasta el tres por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono. Al mismo tiempo, los investigadores estiman que se desperdicia entre el 50 y el 60 por ciento del fertilizante producido. Contabilizando solo los fertilizantes, La agricultura de precisión tiene un enorme potencial para el ahorro de energía y la reducción de gases de efecto invernadero. sin mencionar los $ 8.5 mil millones en ahorros de costos directos cada año, según el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
Varias empresas ya están llevando a cabo este tipo de proyectos. Por ejemplo, IBM está poniendo a prueba un proyecto en la India utilizando imágenes de satélite para evaluar los cultivos de esta manera. Este enfoque, sin embargo, es muy caro y limitante, por eso Mikkelsen imagina un detector de mano que puede obtener imágenes de los campos de cultivo desde el suelo o desde drones económicos.
"Imagínese el impacto no solo en los Estados Unidos, pero también en países de ingresos bajos y medianos donde a menudo hay escasez de fertilizantes y agua, ", dijo Mikkelsen." Al saber dónde aplicar esos escasos recursos, podríamos aumentar el rendimiento de los cultivos de manera significativa y ayudar a reducir el hambre ".
