اسپکترومتر کوچک با قدرت ۱۰۰۰ برابری! شگفتی تکنولوژی جدید

طیف‌سنج‌ها: فناوری‌های نوین برای خواندن نور

طیف‌سنج‌ها فناوری‌هایی هستند که برای خواندن نور طراحی شده‌اند و به دوران فیزیک‌دان مشهور قرن هفدهم، ایزاک نیوتن، برمی‌گردند. این دستگاه‌ها با تجزیه امواج نوری به رنگ‌های مختلف یا طیف‌ها، اطلاعاتی درباره ترکیب اشیاء مورد اندازه‌گیری ارائه می‌دهند. محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز در حال طراحی روش‌های جدیدی برای ساخت طیف‌سنج‌های فوق‌العاده کوچک اما بسیار قدرتمند هستند که می‌توانند در زمینه‌های مختلفی از تشخیص بیماری تا مشاهده ستاره‌ها در کهکشان‌های دور مورد استفاده قرار گیرند. هزینه تولید پایین این دستگاه‌ها، آن‌ها را در دسترس‌تر و قابل سفارشی‌سازی برای کاربردهای خاص می‌کند.

این تیم تحقیقاتی به رهبری همکاری بین‌رشته‌ای پروفسور هولگر اشمید، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز و پروفسور کوین باندی، استاد نجوم و اخترفیزیک، جزئیات دستگاه خود را در مقاله‌ای در نشریه معتبر APL Photonics منتشر کردند. محققان یک طیف‌سنج جدید و با عملکرد بسیار بالا را معرفی کرده‌اند که می‌تواند نور را با دقت طول موج ۰.۰۵ نانومتر اندازه‌گیری کند. این دقت تقریباً ۱.۶ میلیون بار کوچکتر از عرض یک موی انسان است و همان دقتی است که می‌توان در دستگاهی ۱۰۰۰ برابر بزرگتر به دست آورد. اشمید، نویسنده ارشد مقاله و کارشناس با تجربه در توسعه چیپ‌های تشخیص نور، گفت: “این اساساً به اندازه یک طیف‌سنج بزرگ و استاندارد و گران‌قیمت خوب است. این واقعاً قابل توجه و بسیار رقابتی است.”

دستگاه‌های مینیاتوری

مینیاتوری کردن طیف‌سنج‌ها یک حوزه فعال تحقیقاتی است، زیرا این دستگاه‌ها در بسیاری از زمینه‌ها استفاده می‌شوند اما می‌توانند به اندازه یک ساختمان سه‌طبقه و بسیار گران‌قیمت باشند. با این حال، طیف‌سنج‌های مینیاتوری اغلب عملکرد خوبی نسبت به دستگاه‌های بزرگ‌تر ندارند یا تولید آن‌ها بسیار دشوار و پرهزینه است زیرا نیاز به نانو ساخت بسیار دقیقی دارند. محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز دستگاهی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند عملکرد بالایی را بدون چنین تولید پرهزینه‌ای به دست آورد.

دستگاه آن‌ها یک راهنمای موج مینیاتوری و پرقدرت است که بر روی یک چیپ نصب شده و برای هدایت نور به یک الگوی خاص، بسته به رنگ آن، استفاده می‌شود. اطلاعات حاصل از چیپ به یک الگوریتم یادگیری ماشین منتقل می‌شود که الگوهای ایجاد شده توسط طول موج‌های مختلف نور را می‌خواند تا تصویر را با دقت و صحت بسیار بالا بازسازی کند. این رویکرد به “طیف‌سنجی بازسازی‌کننده” معروف است. این تکنیک نتایج دقیقی تولید می‌کند زیرا الگوریتم‌های یادگیری ماشین نیازی به ورودی بسیار دقیق ندارند تا بتوانند الگوهای نوری را تشخیص دهند و می‌توانند به طور مداوم عملکرد خود را بهبود بخشند و خود را با سخت‌افزار بهینه کنند.

به همین دلیل، محققان می‌توانند چیپ‌ها را با تکنیک‌های تولید نسبتاً آسان و کم‌هزینه بسازند، فرآیندی که چند ساعت به طول می‌انجامد نه چند هفته. چیپ‌های سبک و فشرده برای این پروژه در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز طراحی شده و در دانشگاه بریگهام یانگ با همکاری پروفسور آرون هاوکینز و دانشجویان کارشناسی او ساخته و بهینه‌سازی شده‌اند. هاوکینز گفت: “در مقایسه با طراحی‌های پیچیده‌تر چیپ، این فقط به یک ماسک فوتولیگرافی نیاز دارد که تولید را بسیار آسان‌تر و سریع‌تر می‌کند.”

توسعه فناوری‌های نوین در نجوم و پزشکی

تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که افرادی با توانایی‌های پایه‌ای می‌توانند این فناوری را بازتولید کرده و دستگاه مشابهی متناسب با نیازهای خود ایجاد کنند.

مطالعه ستاره‌ها

محققان تصور می‌کنند که این فناوری می‌تواند در زمینه‌های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد، هرچند تمرکز اولیه آن‌ها بر روی ایجاد ابزارهای قدرتمند برای تحقیقات نجومی است. به دلیل قیمت نسبتاً پایین این دستگاه‌ها، نجوم‌دانان می‌توانند آن‌ها را به‌طور خاص برای علایق تحقیقاتی خود تخصصی کنند، که این کار در مورد ابزارهای بزرگ‌تر که میلیون‌ها دلار هزینه دارند، عملاً غیرممکن است.

تیم تحقیقاتی در حال کار بر روی عملکرد چیپ‌ها در تلسکوپ رصدخانه لیک تحت مدیریت دانشگاه کالیفرنیا (UC) است. هدف اولیه آن‌ها دریافت نور از یک ستاره و سپس مطالعه دیگر رویدادهای نجومی است. با دقت بالای این دستگاه‌ها، نجوم‌دانان می‌توانند پدیده‌هایی مانند ترکیب جو سیارات فراخورشیدی یا بررسی ماهیت ماده تاریک در کهکشان‌های کوتوله کم نور را درک کنند.

هزینه نسبتاً پایین این دستگاه‌ها، به دانشمندان این امکان را می‌دهد که آن‌ها را برای علایق تحقیقاتی خاص خود بهینه‌سازی کنند، که این امر در مورد دستگاه‌های سنتی تقریباً غیرممکن است. با بهره‌گیری از تخصص طولانی‌مدت دانشگاه کالیفرنیا در سیستم‌های اپتیک تطبیقی برای نجوم، محققان در حال همکاری برای پیدا کردن بهترین روش‌ها برای ضبط نور ضعیف از ستاره‌ها و کهکشان‌های دور و انتقال آن به طیف‌سنج مینیاتوری هستند.

باندی گفت: «در نجوم، وقتی سعی می‌کنید چیزی را روی تلسکوپ قرار دهید و نور را از آن عبور دهید، همیشه با چالش‌های جدیدی مواجه می‌شوید. این کار بسیار سخت‌تر از انجام آن در آزمایشگاه است. زیبایی این همکاری این است که ما واقعاً یک تلسکوپ داریم و می‌توانیم این دستگاه‌ها را با یک سیستم اپتیک تطبیقی خوب روی تلسکوپ آزمایش کنیم.»

کاربردها در حوزه سلامت و فراتر از آن

فراتر از نجوم، تیم تحقیقاتی در این مقاله نشان می‌دهد که این ابزار قادر به تشخیص فلورسانس است، که یک تکنیک تصویربرداری غیرتهاجمی برای بسیاری از کاربردهای پزشکی، مانند غربالگری سرطان و تشخیص بیماری‌های عفونی است. در آینده، آن‌ها برنامه‌ریزی کرده‌اند تا فناوری را برای تحلیل پراش رامان توسعه دهند. این تکنیک از پراش نور برای شناسایی هر مولکول منحصر به فرد استفاده می‌کند و اغلب به عنوان یک آزمایش تخصصی برای جستجوی یک ماده شیمیایی خاص، مانند وجود داروها در بدن انسان یا آلاینده‌های سمی در محیط زیست، کارایی دارد.

از آنجا که این سیستم بسیار ساده است و نیازی به استفاده از تجهیزات سنگین یا سیالات مانند دیگر تکنیک‌ها ندارد، برای استفاده در میدان بسیار مناسب و مقاوم خواهد بود. محققان همچنین نشان می‌دهند که موج‌راهنماهای فشرده می‌توانند در کنار یکدیگر قرار گیرند تا عملکرد سیستم را بهبود بخشند; زیرا هر چیپ می‌تواند طیف‌های متفاوتی را اندازه‌گیری کرده و اطلاعات بیشتری درباره نوری که مشاهده می‌کند، ارائه دهد.

در این مقاله، محققان قدرت چهار موج‌راهنما را که به‌طور همزمان کار می‌کنند، نشان می‌دهند، اما اشمیت تصور می‌کند که می‌توان صدها چیپ را به‌طور همزمان استفاده کرد. این اولین دستگاهی است که نشان می‌دهد می‌تواند به این روش از چندین چیپ به‌طور همزمان استفاده کند. محققان به کار خود ادامه خواهند داد تا حساسیت دستگاه را بهبود بخشند و دقت طیفی بالاتری به دست آورند.