به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دستگاهی را تصور کنید که از ناخن انگشت بزرگتر نیست و می‌تواند جهان و ستارگان را با رنگ‌هایی چنان دقیق ببیند که دوربین‌ها و طیف‌سنج‌های سنتی را بسیار عقب‌تر بگذارد. این دقیقاً همان چیزی است که تیمی از محققان چینی در دانشگاه تسینگهوا ساخته‌اند.
تراشه نوری کوچک آنها، به نام یوهنگ (که رافائل نیز نامیده می‌شود)، می‌تواند نور را در زمان واقعی و با دقتی که تنها در دستگاه‌های آزمایشگاهی بزرگ و پیچیده امکان‌پذیر است، تجزیه و تحلیل کند.
به گفته محققان، این تراشه دقت طیفی (وضوح) ۱۰۰ برابر بیشتر از تصویربردار‌های اسنپ‌شات معمولی ارائه می‌دهد و قادر به تشخیص رنگ‌هایی است که با فاصله کمتر از یک دهم نانومتر از هم جدا شده‌اند.
نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: «این روش طیف‌سنجی عکس فوری با عملکرد بالا و در عین حال به راحتی یکپارچه می‌تواند پیشرفت‌هایی را در زمینه‌های مختلف از علم مواد گرفته تا اخترفیزیک ایجاد کند.»
برای اینکه تصوری از پتانسیل این تراشه داشته باشید، باید گفت که می‌تواند نقشه‌برداری از کهکشان راه شیری را - کاری که در حالت عادی هزاران سال (۱۰۰۰ سال) طول می‌کشد - به طرز چشمگیری سرعت بخشد و آن را در کمتر از یک دهه تکمیل کند.
نتیجه‌ی فیزیک و الگوریتم‌های هوشمندانه
این تراشه نتیجه‌ی بازاندیشی در مشکلی است که مدت‌ها دستگاه‌های نوری را محدود کرده بود. به طور سنتی، ابزار‌های تصویربرداری، نور ورودی را به رنگین‌کمانی از رنگ‌ها تقسیم می‌کنند تا آن را تجزیه و تحلیل کنند.
هرچه تفکیک رنگ واضح‌تر باشد، نور بیشتری از دست می‌رود و ابزار‌ها بزرگتر و دست و پا گیرتر می‌شوند. این بده بستان بین وضوح و کارایی، ساخت دستگاه‌های جمع و جور و با دقت بالا را تقریباً غیرممکن کرده است.
محققان رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند. تراشه یوهنگ به جای جداسازی فیزیکی نور، تمام نور را به طور همزمان وارد می‌کند و آن را از طریق یک الگوی منحصر‌به‌فرد که درون دستگاه شکل گرفته است، رمزگذاری می‌کند.
الگو‌های تداخلی تصادفی کوچک، همراه با یک کریستال لیتیوم نیوبات که هنگام اعمال ولتاژ، نور را خم می‌کند، به تراشه اجازه می‌دهد تا اطلاعات رنگی دقیقی را جمع‌آوری کند. سپس، با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته کامپیوتری، تراشه نور را رمزگشایی کرده و فوراً طیف کامل رنگ را بازسازی می‌کند.
نتیجه خیره‌کننده است. این تراشه ۷۳٪ نور را عبور می‌دهد (بیشتر نور ورودی از آن عبور می‌کند) و ۸۸ فریم در ثانیه ضبط می‌کند و به وضوح رنگ فوق‌العاده بالایی بدون از دست دادن روشنایی یا سرعت دست می‌یابد. اساساً، این تراشه، کار یک میز نوری بزرگ را در یک تراشه کوچک و هوشمند فشرده می‌کند.
نویسندگان این مطالعه گفتند: «به‌طور خاص، رافائل طیف‌های زیر آنگستروم، شامل تمام پیک‌های جذب اتمی، تا ۵۶۰۰ ستاره را در یک عکس ثبت کرد که نشان‌دهنده بهبود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰ برابری در کارایی رصدی در مقایسه با طیف‌سنج‌های نجومی در سطح جهانی است.»
زمان ادغام و مقیاس‌پذیری رافائل فرا رسیده است
یوهنگ گامی بزرگ به سوی امکان‌پذیر کردن تجزیه و تحلیل نوری فوق‌العاده دقیق و پرسرعت در یک دستگاه کوچک و کاربردی است. کاربرد‌های بالقوه آن بسیار زیاد است. به عنوان مثال، در پزشکی، این تراشه می‌تواند تجزیه و تحلیل بافت غیرتهاجمی را برای تشخیص مشکلات سلامتی امکان‌پذیر کند.
از سوی دیگر، پهپاد‌ها می‌توانند از آن برای نظارت بر کیفیت خاک یا تشخیص آلاینده‌ها استفاده کنند. خودرو‌های خودران ممکن است سطوح جاده، علائم و موانع را حتی در شرایط نوری نامناسب، با دقت بیشتری تشخیص دهند.
در حوزه نجوم، این تیم قصد دارد یوهنگ را روی تلسکوپ بزرگ جزایر قناری در اسپانیا، بزرگترین تلسکوپ نوری تک دیافراگمی جهان، آزمایش کند تا ستاره‌ها، کهکشان‌ها، ماده تاریک و سیاهچاله‌ها را کارآمدتر از همیشه کاوش کند.
با این حال، این به معنای آماده بودن آن برای استفاده نیست. این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود است و محققان اکنون در حال کار بر روی بهبود پایداری و یکپارچه‌سازی تراشه هستند.
این مطالعه در مجله نیچر منتشر شده است.