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Los investigadores de ETH han desarrollado un espectrómetro infrarrojo compacto. Es lo suficientemente pequeño como para caber en un chip de computadora, pero aún puede abrir posibilidades interesantes, en el espacio y en la vida cotidiana.
Cortesía de ETH por Felix Würsten: Hoy en día, un teléfono móvil puede hacer casi cualquier cosa: tomar fotos o videos, enviar mensajes, determinar su ubicación actual y, por supuesto, transmitir conversaciones telefónicas. Con estos dispositivos versátiles, incluso podría ser posible determinar el contenido de alcohol de una cerveza o qué tan madura es una fruta, utilizando el espectrómetro infrarrojo.
A primera vista, la idea de usar teléfonos móviles para análisis químicos parece una idea atrevida. Después de todo, los espectrómetros infrarrojos utilizados para tales análisis en la actualidad generalmente pesan varios kilogramos y son difíciles de integrar en un dispositivo portátil. Ahora los investigadores de ETH Zurich han dado un paso importante para convertir esta visión en realidad. David Pohl y Marc Reig Escalé, en el grupo encabezado por Rachel Grange, profesora de nanomateriales ópticos en el Departamento de Física, colaboraron con otros colegas para desarrollar un chip de aproximadamente 2 centímetros cuadrados de tamaño. Con él, pueden analizar la luz infrarroja de la misma manera que lo harían con un espectrómetro convencional.
Guías de onda en lugar de espejos
Un espectrómetro convencional divide la luz incidente en dos caminos antes de reflejarla en dos espejos. Los haces de luz reflejados se recombinan y se miden con un fotodetector. Mover uno de los espejos crea un patrón de interferencia, que puede usarse para determinar la proporción de diferentes longitudes de onda en la señal entrante. Debido a que las sustancias químicas crean brechas características en el espectro infrarrojo, los científicos pueden usar los patrones resultantes para identificar qué sustancias ocurren en la muestra de prueba y en qué concentración.
Este mismo principio está detrás del mini-espectrómetro desarrollado por los investigadores de ETH. Sin embargo, en su dispositivo, la luz incidente ya no se analiza con la ayuda de espejos móviles; en su lugar, utiliza guías de onda especiales con un índice de refracción óptico que se puede ajustar externamente a través de un campo eléctrico. «La variación del índice de refracción tiene un efecto similar al que sucede cuando movemos los espejos», explica Pohl, «por lo que esta configuración nos permite dispersar el espectro de la luz incidente de la misma manera».
Un desafiante proceso de estructuración
Dependiendo de cómo esté configurada la guía de ondas, los investigadores pueden examinar diferentes partes del espectro de luz. «En teoría, nuestro espectrómetro le permite medir no solo la luz infrarroja, sino también la luz visible, siempre que la guía de onda esté configurada correctamente», dice Escalé. A diferencia de otros espectrómetros integrados que pueden cubrir solo un rango estrecho del espectro de luz, el dispositivo desarrollado por el grupo de Grange tiene una gran ventaja, ya que puede analizar fácilmente una amplia sección del espectro.
Junto con su tamaño compacto, la innovación de los físicos de ETH ofrece otras dos ventajas: el «espectrómetro en un chip» debe calibrarse solo una vez, en comparación con los dispositivos convencionales que necesitan una recalibración una y otra vez; y como no contiene partes móviles, requiere menos mantenimiento.
Para su espectrómetro, los investigadores de ETH emplearon un material que también se usa como modulador en la industria de las telecomunicaciones. Este material tiene muchas propiedades positivas, pero como guía de onda, limita la luz al interior. Esto es menos que ideal, ya que una medición es posible solo si parte de la luz guiada puede salir. Por esta razón, los científicos unieron delicadas estructuras metálicas a las guías de ondas que dispersan la luz hacia el exterior del dispositivo. «Se requirió mucho trabajo en la sala limpia hasta que pudimos estructurar el material de la manera que queríamos», explica Grange.
Perfecto para el espacio
Sin embargo, hasta que el mini-espectrómetro actual pueda integrarse en un dispositivo móvil u otro dispositivo electrónico, todavía queda algún progreso tecnológico por hacer. «En este momento estamos midiendo la señal con una cámara externa», dice Grange, «así que si queremos tener un dispositivo compacto, tenemos que integrar esto también».
Originalmente, los físicos apuntaban, no a análisis químicos, sino a una aplicación completamente diferente: en astronomía, los espectrómetros infrarrojos proporcionan información valiosa sobre objetos celestes distantes. Debido a que la atmósfera de la Tierra absorbe una gran cantidad de luz infrarroja, sería ideal colocar estos instrumentos en satélites o telescopios en el espacio. Un dispositivo de medición compacto, liviano y estable que se pueda lanzar al espacio de manera relativamente económica, naturalmente ofrecería un beneficio sustancial.
Referencia: Pohl D et.al .: Un espectrómetro de banda ancha integrado en niobato de litio de película delgada. Nature Photonics, 8 de octubre de 2019. DOI: 10.1038 / s41566-019-0529-9
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