Представьте себе, что при помощи смартфона вы сможете проверить степень чистоты воздуха, свежести пищевых продуктов, уровень сахара в крови или насколько токсичным является валяющийся в вашем дворе кусок какой-то непонятной субстанции. Все это станет возможным благодаря разработке нового миниатюрного спектрометра, который прост в изготовлении и мал настолько, что его без особых проблем можно встроить в смартфон или другое портативное электронное устройство. Этот спектрометр, разработанный специалистами из Технологического университета Эйндховена, может похвастаться не только малыми размерами, он обеспечивает точность измерений, соответствующую точности нормальных настольных моделей спектрометров, используемых в научных лабораториях.
Столь миниатюрные размеры нового спектрометра были получены за счет использования “фотонной кристаллической впадины”, ловушки, размером в несколько микрометров. Она устроена таким образом, что свет, попавший в эту ловушку, уже никогда не может покинут ее пределы. Ловушка устроена в объеме тонкой мембраны из специального материала, который вырабатывает маленький электрический ток за счет энергии поглощенных фотонов. Точно рассчитанные размеры ловушки позволяют ей улавливать фотоны света, длина волны которых находится в достаточно узком диапазоне и за счет сужения частотного динамического диапазона достигается высокая точность производимых измерений.
Для расширения частотного диапазона исследователи расположили две мембраны с двумя ловушками на небольшом расстоянии друг от друга. Эти две мембраны оказывают взаимное влияние, в результате чего датчик может регистрировать свет в два раза большем частотном диапазоне. Опытный образец датчика спектрометра работает в диапазоне 30 нанометров, в пределах которого он может различить с высокой точностью порядка 100 тысяч отдельных частот, а расстояние между двумя мембранами этого датчика составляет всего несколько десятков фемтометров (10^-15 метра).
Для демонстрации работы нового спектрометра исследователи использовали его в качестве датчика газоанализатора. Кроме этого, на основе нового спектрометра был создан чрезвычайно точный датчик движения. Тем не менее, исследователи полагают, что им потребуется еще несколько лет на доведение из разработки до уровня практического использования. В настоящее время частотный диапазон спектрометра составляет всего несколько процентов от всей ширины близкого инфракрасного спектра, охват которого необходим для работы всех функций, упомянутых в самом начале.
Помимо расширения частотного диапазона миниатюрного спектрометра, исследователи планирую снабдить свое устройство дополнительным источником инфракрасного света, что сделает устройство в целом независимым от наличия внешних источников света.