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May 23, 2024

Tecnologia Tricorder: usare lo smartphone come sballo

I ricercatori SMART creano il microscopio LED e olografico più piccolo al mondo che consente la conversione delle fotocamere dei telefoni cellulari esistenti in microscopi ad alta risoluzione Ricercatori del Disruptive &

I ricercatori SMART creano il microscopio LED e olografico più piccolo al mondo che consente la conversione delle fotocamere dei telefoni cellulari esistenti in microscopi ad alta risoluzione

I ricercatori del Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) e del Critical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine (CAMP) Interdisciplinary Research Groups (IRG) della Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), l'impresa di ricerca del MIT a Singapore, hanno ha sviluppato il LED (diodo a emissione luminosa) più piccolo al mondo che consente la conversione delle fotocamere dei telefoni cellulari esistenti in microscopi ad alta risoluzione.

Più piccolo della lunghezza d'onda della luce, il nuovo LED è stato utilizzato per costruire il microscopio olografico più piccolo del mondo, aprendo la strada alla conversione delle fotocamere esistenti nei dispositivi di uso quotidiano come i telefoni cellulari in microscopi tramite solo modifiche al chip di silicio e al software. Questa tecnologia rappresenta anche un significativo passo avanti nella miniaturizzazione della diagnostica per gli agricoltori indoor e l’agricoltura sostenibile.

Questa innovazione è stata integrata dallo sviluppo da parte dei ricercatori di un rivoluzionario algoritmo di rete neurale in grado di ricostruire oggetti misurati dal microscopio olografico, consentendo così un esame migliore di oggetti microscopici come cellule e batteri senza la necessità di ingombranti microscopi convenzionali o ottiche aggiuntive. La ricerca apre anche la strada a un importante progresso nel campo della fotonica: la costruzione di un potente emettitore su chip più piccolo di un micrometro, che da tempo rappresenta una sfida nel settore.

La luce nella maggior parte dei chip fotonici proviene da fonti esterne al chip, il che porta a una bassa efficienza energetica complessiva e limita sostanzialmente la scalabilità di questi chip. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato emettitori su chip utilizzando vari materiali come vetro drogato con terre rare, Ge-on-Si e materiali III-V integrati eterogeneamente. Sebbene gli emettitori basati su questi materiali abbiano mostrato prestazioni promettenti dei dispositivi, l’integrazione dei loro processi di fabbricazione in piattaforme CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) standard rimane una sfida. Mentre il silicio (Si) ha mostrato potenziale come materiale candidato per emettitori su scala nanometrica e controllabili individualmente, gli emettitori di Si soffrono di una bassa efficienza quantica a causa del bandgap indiretto, e questo svantaggio fondamentale combinato con le limitazioni imposte dai materiali disponibili e dagli strumenti di fabbricazione ha ostacolato la realizzazione di un piccolo emettitore nativo di Si in CMOS.

In un articolo recentemente pubblicato su Nature Communications intitolato "Un LED Si sub-lunghezza d'onda integrato in una piattaforma CMOS", i ricercatori SMART hanno descritto il loro sviluppo del più piccolo emettitore di Si segnalato con un'intensità luminosa paragonabile a quella del Si all'avanguardia emettitori con aree di emissione molto più grandi. In una svolta correlata, i ricercatori SMART hanno anche svelato la costruzione di una nuova architettura di rete neurale profonda non addestrata in grado di ricostruire immagini da un microscopio olografico in un articolo intitolato “Recupero spettrale simultaneo e olografia micro-LED CMOS con una rete neurale profonda non addestrata” recentemente pubblicato sulla rivista Optica.

Il nuovo LED sviluppato dai ricercatori SMART è un LED con scala sub-lunghezza d'onda integrata CMOS a temperatura ambiente che mostra un'elevata intensità spaziale (102 ± 48 mW/cm2) e possiede l'area di emissione più piccola (0,09 ± 0,04 μm2) tra tutti gli emettitori di Si noti in letteratura scientifica. Per dimostrare una potenziale applicazione pratica, i ricercatori hanno quindi integrato questo LED in un microscopio olografico in linea, su scala centimetrica, interamente in silicio, che non richiede lenti o fori stenopeici, parte integrante di un campo noto come olografia senza lenti.

Un ostacolo comunemente affrontato nell'olografia senza lenti è la ricostruzione computazionale dell'oggetto ripreso. I metodi di ricostruzione tradizionali richiedono una conoscenza dettagliata dell'apparato sperimentale per una ricostruzione accurata e sono sensibili a variabili difficili da controllare come le aberrazioni ottiche, la presenza di rumore e il problema dell'immagine doppia.