طیف‌سنج‌های مینیاتوری در راه هستند!

یک تیم بین‌المللی از محققان، از جمله دانشگاه کمبریج، طیف‌سنج کوچکی طراحی کرده‌اند که تمام رکورد‌های وضوح فعلی را می‌شکند و این کار را در بسته‌ای بسیار کوچکتر به لطف برنامه‌های محاسباتی و هوش مصنوعی انجام می‌دهد.

کد خبر: ۱۰۳۹۴۳۲

چهارشنبه - ۰۴ آبان ۱۴۰۱ / October 26, 2022

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک تیم بین‌المللی از محققان، از جمله دانشگاه کمبریج، طیف‌سنج کوچکی طراحی کرده‌اند که تمام رکورد‌های وضوح فعلی را می‌شکند و این کار را در بسته‌ای بسیار کوچکتر به لطف برنامه‌های محاسباتی و هوش مصنوعی انجام می‌دهد.

ما هر روز نور و رنگ‌ها را در اطراف خود می‌بینیم. با این حال، برای تجزیه و تحلیل اطلاعاتی که حمل می‌کند، باید نور را با استفاده از طیف‌سنج‌ها در آزمایشگاه تجزیه و تحلیل کنیم. این دستگاه‌ها تغییرات و سیگنال‌هایی را تشخیص می‌دهند که چشم ما متوجه آن‌ها نمی‌شود.

این دستگاه کوچک‌سازی شده جدید می‌توانند در طیف وسیعی از بخش‌ها، از بررسی کیفیت غذا گرفته تا تجزیه و تحلیل نور ستارگان یا تشخیص سرنخ‌های ضعیف از حیات در فضا، مورد استفاده قرار گیرند. نتایج این پروژه در مجله Science منتشر شده است.

به طور رایج، طیف‌سنج‌ها برای فیلتر کردن و پراکنده کردن نور به اجزای حجیم متکی هستند. رویکرد‌های مدرن این مؤلفه‌ها را برای کاهش ردپا‌ها ساده می‌کنند، اما همچنان از وضوح و پهنای باند محدود رنج می‌رند. علاوه بر این، طیف‌سنج‌های فعلی سنگین هستند و فضای زیادی را اشغال می‌کنند، که کاربرد آن‌ها را در دستگاه‌های قابل حمل و همراه محدود می‌کند.

برای مقابله با این مشکلات و کوچک کردن اندازه سیستم، محققان مواد لایه‌ای را با الگوریتم‌های هوش مصنوعی جفت کرده‌اند. نتیجه طیف‌سنجی شد که هزاران بار کوچکتر از سیستم‌های تجاری فعلی است. در عین حال، عملکردی قابل مقایسه با سیستم‌های رومیزی ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر، این طیف‌سنج‌های جدید جایگزین‌های قابل حملی را برای کشف اطلاعات نامرئی، حتی بدون رفتن به آزمایشگاه، فراهم می‌کنند.

دکتر هون هان یون از دانشگاه آلتو فنلاند و اولین نویسنده این مقاله گفت: «ما نیاز به آرایه‌های آشکارساز، اجزای پراکنده‌کننده و فیلتر‌ها را حذف می‌کنیم. این دستگاه کوچک و همه کاره است که می‌تواند این حوزه را متحول کند. انتظار می‌رود این فناوری طیف‌سنج روی تراشه عملکرد بالا و قابلیت استفاده جدیدی را در سراسر علم و صنعت ارائه دهد.»

این آشکارساز از ساختار‌های ناهمسان واندروالس استفاده می‌کند، یک ساندویچ از مواد مختلف از جمله گرافن، دی سولفید مولیبدن و دیزلنید تنگستن است. ترکیبات مختلف اجزای مواد، تشخیص نور را فراتر از طیف مرئی، تا ناحیه نزدیک به فروسرخ امکان پذیر می‌کند. این بدان معناست که این طیف‌سنج فراتر از رنگ را تشخیص می‌دهد و کاربرد‌هایی مانند آنالیز شیمیایی و دید در شب را ممکن می‌سازد.

یون گفت: «ما طیف پیوسته‌ای از نور را شناسایی می‌کنیم و دنیایی از امکانات را در بازار‌های بی‌شماری باز می‌کنیم. کاوش در سایر ترکیبات مواد می‌تواند عملکرد‌های بیشتری از جمله تشخیص فراطیفی گسترده‌تر و وضوح بهبود یافته را آشکار کند.»

هوش مصنوعی یکی از جنبه‌های کلیدی این دستگاه‌ها است که معمولاً طیف‌سنج‌های محاسباتی نامیده می‌شوند. این فناوری افزایش نویز ذاتی را جبران می‌کند که به طور اجتناب ناپذیر زمانی رخ می‌دهد که بخشی از نوری به طور کامل حذف شود.

پروفسور ژیپی سان، از دانشگاه آلتو و عضو سابق دپارتمان مهندسی کمبریج، گفت: «ما توانستیم از الگوریتم‌های ریاضی برای بازسازی موفقیت‌آمیز سیگنال‌ها و طیف‌ها استفاده کنیم، این یک جهش فناورانه عمیق و دگرگون‌کننده است. طراحی فعلی فقط یک اثبات مفهوم است. الگوریتم‌های پیشرفته‌تر و همچنین ترکیب‌های مختلف مواد، به زودی می‌توانند طیف‌سنج‌های کوچک‌تر بهتری را ارائه دهند.»

طیف سنج‌ها برای تشخیص سم در مواد غذایی و لوازم آرایشی، تصویربرداری سرطان، و در فضاپیما‌ها از جمله تلسکوپ فضایی جیمز وب استفاده می‌شود. به لطف توسعه و پیشرفت فناوری‌هایی مانند اینترنت اشیا به زودی رایج‌تر خواهند شد.

این فناوری به دلیل سازگاری با فرآیند‌های صنعتی به خوبی تثبیت شده، دارای پتانسیل عظیمی برای مقیاس پذیری و یکپارچگی است. این فناوری می‌تواند آینده‌ای را برای نسل بعدی دوربین‌های گوشی‌های هوشمند، باز کند.