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微小的光探测器像壁虎耳朵一样工作

壁虎和许多其他动物的头部太小,无法按照我们的方式对噪声的位置进行三角测量,耳朵间距很大。相反,他们的头部有一条小隧道,可以测量入射声波反射的方式,以确定它们来自哪个方向。

面对他们自己的小尺寸和三角测量问题,斯坦福大学的研究人员已经提出了一种类似的系统来检测入射光的角度。这样的系统可以让微型摄像机检测光线来自哪里,但没有大型镜头。

“在你的照相机上制作一个小像素,表示光源来自这个或那个方向是很难的,因为理想情况下,像素非常小 - 这些日子大约是头发的1/100,”材料教授Mark Brongersma说。科学与工程,是关于该系统的论文的高级作者,于10月29日在Nature Nanotechnology上发表。“所以这就像两只眼睛非常靠近,并试图穿过它们,看看光线来自哪里。”

这些研究人员正在开发能够记录光的许多特征的微小探测器,包括颜色,极性以及现在的光角。据他们所知,他们在本文中描述的系统是第一个证明可以用这么小的设置确定光的角度的系统。“确定光线方向的典型方法是使用镜头。但这些很大,当你收缩设备时没有类似的机制,因此它比大多数细菌小,”电气工程教授范善辉说。该论文的共同作者。

更详细的光检测可以支持无镜头相机,增强现实和机器人视觉方面的进步,这对自动驾驶汽车非常重要。

从原子到壁虎

如果声音不是直接来自壁虎的顶部,那么一个鼓膜基本上会窃取一些声波能量,否则这些能量将通过隧道传递到另一个。这个推论有助于壁虎 - 以及大约15,000种具有类似隧道的动物物种 - 了解声音的来源。

研究人员在他们的光电探测器中模拟了这种结构,它有两根硅纳米线 - 每根直径大约100纳米,或者大约是头发的1/1000 - 彼此相邻排列,就像壁虎的耳膜一样。它们的位置非常接近,当光波以一定角度进入时,最靠近光源的导线会干扰撞击其邻居的波浪,基本上会产生阴影。然后,用于检测光的第一根线将发送最强的电流。通过比较两条线中的电流,研究人员可以绘制入射光波的角度。壁虎并不是这个系统初步构建的灵感来源。作为该论文的第一作者,威斯康星大学麦迪逊分校的电气和计算机工程专业的研究生Soongyu Yi在工作开始后,发现了他们的设计和壁虎之间的相似之处。他们都对相似性的深层次感到惊讶。事实证明,解释壁虎耳和这个光电探测器的相同数学描述了紧密排列的原子之间的干涉现象。

“从理论的角度来看,实际上非常有趣的是看到许多基本的干扰概念一直存在于一个可以实际使用的设备中的量子力学中,”范说。

一个长期的承诺

这个项目开始时,该论文的一位合着者Yuongfu Yu是Fan实验室的一名学生,并主动将他的工作与Brongersma及其实验室的研究结合起来。他们取得了进展但不得不暂停工作,同时Yu申请了教师职位,随后在威斯康星大学麦迪逊分校建立了自己的实验室,现在他是电气和计算机工程的助理教授,在他的实验室Soongyu Yi作品。

许多年后,在发布了当前的概念验证之后,研究人员表示他们期待着在他们的成果基础上再接再厉。接下来的步骤包括决定他们可能想要从光线测量的其他内容,并将几个纳米线并排放置,看看他们是否可以构建一个完整的成像系统,记录他们一次感兴趣的所有细节。“我们已经在这方面工作了很长时间 - 在这个项目的开始和结束之间,Zongfu有一个完整的生活故事!它表明我们没有在质量上妥协,”Brongersma说。“认为我们可能在这里待20年来发现这个系统的所有潜力是很有趣的。”

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