Spectromètre ultrarapide sur puce piloté par l'IA : une révolution dans la détection en temps réel
L'innovation permet de réduire un spectromètre de laboratoire à la taille d'un grain de sable
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Pendant des décennies, la possibilité de visualiser la composition chimique des matériaux, que ce soit pour diagnostiquer une maladie, évaluer la qualité des aliments ou analyser la pollution, dépendait de grands instruments de laboratoire coûteux appelés spectromètres. Ces appareils prennent la lumière, la répartissent en arc-en-ciel à l'aide d'un prisme ou d'un réseau et mesurent l'intensité de chaque couleur. Le problème est que la diffusion de la lumière nécessite un long chemin physique, ce qui rend l'appareil intrinsèquement encombrant.
Reposant sur le bout d'un doigt, ce capteur miniature remplace l'équipement de laboratoire encombrant en utilisant des nanostructures de surface piégeant les photons et l'intelligence artificielle (IA) pour analyser avec précision les maladies, vérifier la qualité des aliments et détecter la pollution, en utilisant à la fois la lumière visible et le proche infrarouge.
Image courtesy of the Integrated Nanodevices & Nanosystems Research Lab at UC Davis.
Une étude récente de l'Université de Californie Davis (UC Davis), publiée dans Advanced Photonics, s'attaque au défi de la miniaturisation, visant à réduire un spectromètre de laboratoire à la taille d'un grain de sable, un minuscule spectromètre sur puce qui peut être intégré dans des appareils portables. L'approche traditionnelle consistant à répartir la lumière dans l'espace est abandonnée au profit d'une méthode reconstructive. Au lieu de séparer physiquement chaque couleur, la nouvelle puce n'utilise que 16 détecteurs en silicium distincts, chacun étant conçu pour réagir légèrement différemment à la lumière entrante. C'est un peu comme si l'on donnait une boisson mélangée à une poignée de capteurs spécialisés, chaque capteur échantillonnant un aspect différent de la boisson. La clé pour déchiffrer la recette originale est la deuxième partie de l'invention : l'intelligence artificielle (IA).
Le cœur de cette innovation réside dans deux percées technologiques. Tout d'abord, l'équipe a modifié les surfaces des photodiodes en silicium standard en y ajoutant des textures de surface spécialisées dans le piégeage des photons (PTST). Le silicium est généralement efficace pour détecter la lumière visible, mais il est notoirement médiocre pour détecter la lumière proche infrarouge (NIR) (longueurs d'onde allant jusqu'à 1100 nm), qui est essentielle pour de nombreuses applications, telles que l'imagerie biomédicale, car elle pénètre les tissus humains plus profondément que la lumière visible. La surface du PTST agit comme une texture intelligemment conçue qui force les photons du proche infrarouge à se disperser dans la fine couche de silicium au lieu de la traverser directement. Cela augmente considérablement la probabilité que le silicium absorbe la lumière, ce qui rend l'ensemble de la puce sensible sur une large gamme spectrale.
Au-delà de la simple détection des couleurs, l'architecture utilise des capteurs à grande vitesse pour fournir une capacité inhérente et ultra-rapide de mesure de la durée de vie des photons. Cette précision temporelle permet au dispositif de capturer des interactions fugaces entre la lumière et la matière, invisibles pour les instruments traditionnels.
Deuxièmement, la puce utilise un puissant réseau neuronal entièrement connecté (IA). Étant donné que les 16 détecteurs uniques ne capturent que des signaux codés et bruyants, l'IA est entraînée sur des milliers d'exemples pour apprendre la relation complexe et cachée entre les sorties brutes des détecteurs et le spectre lumineux pur d'origine. L'IA traite ce "problème inverse" en reconstruisant le spectre lumineux avec une grande précision (résolution d'environ 8 nm). Cette méthode de calcul élimine complètement le besoin d'optiques encombrantes.
Le résultat final est un système d'un encombrement minimal (0,4 mm²), d'une grande sensibilité et d'une forte résistance au bruit. La puce augmentée par l'IA peut maintenir la clarté du signal même en présence d'interférences électriques importantes, ce qui constitue un défi majeur pour l'électronique portable à faible coût. En étendant la plage de détection du silicium dans le spectre crucial du proche infrarouge tout en permettant des performances élevées grâce à l'apprentissage automatique, cette technologie ouvre la voie à une détection hyperspectrale en temps réel véritablement intégrée dans des applications allant des diagnostics médicaux avancés à la télédétection environnementale.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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