Små lysdetektorer fungerer som gekkoører

Gekkoer og mange andre dyr har hoveder, der er for små til at triangulere placeringen af ​​lyde, som vi gør, med vidt anbragte ører. I stedet, de har en lillebitte tunnel gennem deres hoveder, der måler den måde, indkommende lydbølger hopper rundt på for at finde ud af, hvilken retning de kom fra.

Over for deres eget problem med lille størrelse og triangulering, forskere fra Stanford University har fundet frem til et lignende system til at detektere vinklen af ​​indkommende lys. Et sådant system kunne lade små kameraer registrere, hvor lyset kommer fra, men uden hovedparten af ​​en stor linse.

"Det er svært at lave en lille pixel på dit fotokamera, der siger, at lyset kommer fra den eller den retning, fordi ideelt set, pixels er meget små – i disse dage omkring 1/100 af et hår, " sagde Mark Brongersma, professor i materialevidenskab og teknik, som er seniorforfatter til et papir om dette system, udgivet 29. oktober i Natur nanoteknologi . "Så det er som at have to øjne meget tæt på hinanden og prøve at krydse dem for at se, hvor lyset kommer fra."

Disse forskere arbejder på bittesmå detektorer, der kan registrere mange karakteristika af lys, inklusive farve, polaritet og, nu, lysvinkel. Så vidt de ved, systemet, de har beskrevet i dette papir, er det første, der demonstrerer, at det er muligt at bestemme lysvinklen med en så lille opsætning.

"Den typiske måde at bestemme lysets retning på er ved at bruge en linse. Men de er store, og der er ingen sammenlignelige mekanismer, når du krymper en enhed, så den er mindre end de fleste bakterier, " sagde Shanhui Fan, professor i elektroteknik, som er medforfatter på papiret.

Mere detaljeret lysdetektion kunne understøtte fremskridt inden for objektivløse kameraer, augmented reality og robotsyn, hvilket er vigtigt for autonome biler.

Fra atomer til gekkoer

Hvis en lyd ikke kommer direkte fra toppen af ​​gekkoen, den ene trommehinde stjæler i det væsentlige noget af den lydbølgeenergi, der ellers ville tunnelere igennem til den anden. Denne slutning hjælper gekkoen – og omkring 15, 000 andre dyrearter med en lignende tunnel - forstå, hvor en lyd kommer fra.

Forskerne efterligner denne struktur i deres fotodetektor ved at have to silicium nanotråde – hver omkring 100 nanometer i diameter eller omkring 1/1000 af så brede som et hår – opstillet ved siden af ​​hinanden, ligesom gekkoens trommehinder. De er placeret så tæt, at når en lysbølge kommer ind i en vinkel, ledningen tættest på lyskilden forstyrrer bølgerne, der rammer dens nabo, dybest set kaster en skygge. Den første ledning til at opdage lyset ville så sende den stærkeste strøm. Ved at sammenligne strømmen i begge ledninger, forskerne kan kortlægge vinklen på indkommende lysbølger.

Gekkoer var ikke inspirationen til den indledende konstruktion af dette system. Soongyu Yi, en kandidatstuderende i elektro- og computerteknik ved University of Wisconsin-Madison, som er hovedforfatter af papiret, kom over ligheden mellem deres design og gekkoers ører, efter at arbejdet allerede var begyndt. De var alle overraskede over den dybe grad af lighed. Det viser sig, den samme matematik, der forklarer både gekkoørerne og denne fotodetektor, beskriver også et interferensfænomen mellem tæt arrangerede atomer.

"På teorisiden, det er faktisk meget interessant at se mange af de grundlæggende interferenskoncepter, der går hele vejen til kvantemekanik, dukke op i en enhed, der praktisk talt kan bruges, " sagde Fan.

Et langsigtet engagement

Dette projekt begyndte, da en af ​​avisens medforfattere, Zongfu Yu, var elev i Fan-laboratoriet og tog initiativ til at kombinere sit arbejde der med forskning udført af Brongersma og hans laboratorium. De gjorde fremskridt, men måtte sætte arbejdet i bero, mens Yu søgte fakultetsstillinger og, efterfølgende, etablerede sit laboratorium ved University of Wisconsin-Madison, hvor han nu er assisterende professor i elektro- og computerteknik, og i hvis laboratorium Soongyu Yi arbejder.

Mange år senere, og efter at have offentliggjort det aktuelle proof-of-concept, forskerne sagde, at de ser frem til at bygge videre på deres resultater. De næste trin inkluderer at beslutte, hvad de ellers vil måle fra lys og sætte flere nanotråde side om side for at se, om de kan bygge et helt billedbehandlingssystem, der registrerer alle de detaljer, de er interesserede i på én gang.

"Vi har arbejdet på dette i lang tid – Zongfu har haft en hel livshistorie mellem starten og slutningen af ​​dette projekt! Det viser, at vi ikke er gået på kompromis med kvaliteten, " sagde Brongersma. "Og det er sjovt at tænke på, at vi kan være her i yderligere 20 år og finde ud af alt potentialet i dette system."