Также подобные спектрометры на квантовых точках могут найти широкое применение в фундаментальной науке, к примеру, для сбора исследовательских данных в рамках космических миссий. Или же устройства могут быть интегрированы в датчики обычной бытовой техники.
Спектрометрия, по сути, направлена на измерение интенсивности света в зависимости его от длины волны и используется для изучения различных свойств светоизлучающих и поглощающих свет веществ и материалов. Например, данная методика часто используется планетологами и астрономами для определения химического состава далёких планет и звёзд, где другие методы исследования попросту недоступны.
Большинство методов спектроскопии включают в себя рассеяние света в соответствии с его длиной волны.
Так, к примеру, призмы могут быть использованы для того, чтобы разложить излучение на составляющие его длины волн (цвета), а полученный спектр может быть измерен при помощи чувствительных к свету детекторов.
Бао и его коллеги разработали инновационную методику спектрометрии, основанную на работе квантовых точек. Учёные создали массив полосно-пропускающих фильтров для света, через который проходит излучение, а затем попадает в позиционно-чувствительный детектор.
Квантовые точки представляют собой крошечные «капли» полупроводника диаметром в несколько нанометров. Также их иногда называют искусственными атомами, поскольку, как и обычные атомы, они поглощают и испускают свет лишь определённых длин волн. В отличие от атомов, однако, эти принимаемые и выдаваемые длины волн могут быть «настроены» путём простого регулирования размера квантовой точки.
Идея использовать массив квантовых точек для создания компактного спектрометра пришла в голову учёным после того, как они исследовали их применение в солнечных батареях и детекторах света.
«Я понял, что этот материал имеет уникальные свойства и что никакой другой материал не может с ним сравниться. Дело в том, что массив квантовых точек обладает крайне простым средством настройки оптического отклика», — рассказывает Бао в пресс-релизе MIT.
Физики сконструировали спектрометр на основе огромного массива квантовых точек 195 различных типов, который охватывает диапазон длин волн шириной в 300 нанометров.
Изучая свет, который поглощали точки, учёные смогли определить относительную интенсивность различных длин волн в спектре падающего света.
Для создания массива учёные сделали коллоидную систему, поместив квантовые точки в раствор. Затем полученную смесь нанесли в качестве покрытия на отдельные пиксели цифровой камеры. Поскольку новая разработка совместима с уже существующими технологиями, утверждают разработчики, новый спектрометр может быть уже запущен в массовое производство, и стоимость его будет довольно низкой.
Новый спектрометр использует метод мультиплексирования который был впервые разработан для телекоммуникационной отрасли, чтобы позволить сразу нескольким сигналам передаваться по одному и тому же оптоволокну.
Мультиплексирование уже используется для спектроскопии, но Бао утверждает, что предыдущие разработки не подходят для создания небольшого, недорогого и высокопроизводительного устройства.
«Именно коллоидные квантовые точки позволили совершить этот прорыв», — уверен Бао, чья статья вышла в журнале Nature.
Команда исследователей в данный момент занимается адаптацией своего детища под конкретные практические применения.
Они уверены, что
в скором времени их разработка превратит каждый смартфон в настоящий спектрометр, а стоимость космических миссий по изучению далёких планет и звёзд можно будет значительно сократить.
