Физики построили первый в мире спектрометр на квантовых точках

На иллюстрации показано, как пять различных коллоидных растворов квантовых точек наносятся на существующую камеру
(фото Mary O.Reilly).

Команда китайских физиков во главе с Джи Бао (Jie Bao) из Университета Цинхуа совместно с исследовательской группой из Массачусетского технологического института разработала первый в мире компактный спектрометр на квантовых точках. По словам создателей, лёгкое миниатюрное устройство, которое гораздо бюджетнее аналогов, может быть использовано даже в камерах смартфонов.

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.