Durante muitos anos, a análise da composição química dos materiais 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 separando 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 uma distância relativamente longa, os dispositivos costumam ser volumosos e difíceis de miniaturizar.
Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia Davis (UC Davis) desenvolveram uma alternativa muito menor. Escrevendo em Fotônica avançadaa equipe descreve um espectrômetro em um chip tão pequeno que tem aproximadamente o tamanho de um grão de areia. Em vez de depender de grandes componentes ópticos para separar fisicamente a luz, o novo sistema utiliza inteligência artificial (IA) e um pequeno conjunto de sensores especialmente concebidos para reconstruir computacionalmente o espectro.
Substituindo óptica volumosa por inteligência artificial
O chip renuncia ao método padrão de difusão da 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 isolar diretamente cores individuais, os detectores coletam sinais codificados contendo informações espectrais ocultas.
Uma maneira de pensar em um sistema é como um grupo de provadores especializados que experimentam diferentes aspectos de uma mesma mistura complexa. Individualmente, cada detector captura apenas parte da imagem. Juntos, porém, eles geram informações suficientes para que a inteligência artificial reconstrua o espectro de luz original.
O segundo componente principal é uma rede neural totalmente conectada e treinada em milhares de exemplos. Como os sinais do detector são ruidosos e fortemente codificados, a IA aprende a relação complexa entre esses sinais e o espectro de luz real. Essa abordagem resolve o que os pesquisadores chamam de “problema inverso”, permitindo que o sistema reproduza dados espectrais com precisão de até 8 nm sem usar equipamentos ópticos volumosos.
Expansão infravermelha do silício
Um grande avanço foi a modificação da superfície de 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 em detectar 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 de uma fina camada de silício, a superfície texturizada espalha a luz, tornando mais provável que o silício a absorva. Como resultado, o chip torna-se sensível numa faixa espectral muito mais ampla do que os sensores de silício padrão.
Capturando as interações ultrarrápidas da luz
A nova arquitetura oferece mais do que uma simples definição de cores. O chip também inclui sensores de alta velocidade capazes de medir a vida útil dos fótons com precisão temporal extremamente alta. Isso permite que o dispositivo detecte interações ultrarrápidas entre luz e matéria que os espectrômetros tradicionais podem ignorar 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.
Uma pegada pequena com muito potencial
O sistema acabado ocupa apenas 0,4 mm quadrado, mantendo alta sensibilidade e forte imunidade a interferências elétricas, o que é um sério desafio para eletrônicos portáteis de baixo custo. Mesmo em ambientes ruidosos, o design com a ajuda da inteligência artificial pode manter uma qualidade de sinal limpa.
Ao combinar o aprendizado de máquina com a detecção aprimorada de luz de silício, esta tecnologia pode abrir caminho para sensores hiperespectrais compactos e em tempo real. As aplicações potenciais variam desde diagnósticos médicos portáteis e monitores de saúde vestíveis até sensoriamento ambiental remoto e análise de qualidade de alimentos.
