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May 23, 2024

Tricorder Tech: usar su teléfono inteligente como droga

Investigadores de SMART crean el microscopio holográfico y LED más pequeño del mundo que permite convertir las cámaras de teléfonos móviles existentes en microscopios de alta resolución Investigadores de Disruptive &

Investigadores de SMART crean el microscopio holográfico y LED más pequeño del mundo que permite convertir las cámaras de teléfonos móviles existentes en microscopios de alta resolución

Investigadores de los Grupos de Investigación Interdisciplinarios (IRG) de Tecnologías Disruptivas y Sostenibles para la Precisión Agrícola (DiSTAP) y de Análisis Crítico para la Fabricación de Medicina Personalizada (CAMP) de la Alianza para la Investigación y la Tecnología (SMART) de Singapur-MIT, la empresa de investigación del MIT en Singapur, han desarrolló el LED (diodo emisor de luz) más pequeño del mundo que permite convertir las cámaras de los teléfonos móviles existentes en microscopios de alta resolución.

Más pequeño que la longitud de onda de la luz, el nuevo LED se utilizó para construir el microscopio holográfico más pequeño del mundo, allanando el camino para que las cámaras existentes en dispositivos cotidianos, como los teléfonos móviles, se conviertan en microscopios mediante únicamente modificaciones en el chip de silicio y el software. Esta tecnología también representa un importante paso adelante en la miniaturización de los diagnósticos para los agricultores de interior y la agricultura sostenible.

Este avance se complementó con el desarrollo por parte de los investigadores de un revolucionario algoritmo de red neuronal que es capaz de reconstruir objetos medidos por el microscopio holográfico, permitiendo así un examen mejorado de objetos microscópicos como células y bacterias sin la necesidad de microscopios convencionales voluminosos u ópticas adicionales. La investigación también allana el camino para un avance importante en fotónica: la construcción de un potente emisor en un chip más pequeño que un micrómetro, lo que ha sido durante mucho tiempo un desafío en este campo.

La luz en la mayoría de los chips fotónicos proviene de fuentes externas al chip, lo que conduce a una baja eficiencia energética general y limita fundamentalmente la escalabilidad de estos chips. Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado emisores en chips utilizando diversos materiales, como vidrio dopado con tierras raras, Ge-on-Si y materiales III-V heterogéneamente integrados. Si bien los emisores basados ​​en estos materiales han mostrado un rendimiento de dispositivo prometedor, la integración de sus procesos de fabricación en plataformas estándar de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) sigue siendo un desafío. Si bien el silicio (Si) ha demostrado potencial como material candidato para emisores a nanoescala y controlables individualmente, los emisores de Si sufren de una baja eficiencia cuántica debido a la banda prohibida indirecta, y esta desventaja fundamental combinada con las limitaciones establecidas por los materiales y herramientas de fabricación disponibles ha dificultado la realización de un pequeño emisor nativo de Si en CMOS.

En un artículo publicado recientemente por Nature Communications titulado "Un LED de Si de longitud de onda inferior integrado en una plataforma CMOS", los investigadores de SMART describieron su desarrollo del emisor de Si más pequeño del que se haya informado, con una intensidad de luz comparable a la del Si de última generación. emisores con áreas de emisión mucho mayores. En un avance relacionado, los investigadores de SMART también dieron a conocer la construcción de una nueva arquitectura de red neuronal profunda no entrenada capaz de reconstruir imágenes de un microscopio holográfico en un artículo titulado "Recuperación espectral simultánea y holografía micro-LED CMOS con una red neuronal profunda no entrenada". publicado recientemente en la revista Óptica.

El novedoso LED desarrollado por los investigadores de SMART es un LED de escala de longitud de onda inferior integrado en CMOS a temperatura ambiente que exhibe una alta intensidad espacial (102 ± 48 mW/cm2) y posee el área de emisión más pequeña (0,09 ± 0,04 μm2) entre todos los emisores de Si conocidos en literatura cientifica. Para demostrar una posible aplicación práctica, los investigadores integraron este LED en un microscopio holográfico en línea, de escala centimétrica, totalmente de silicio, que no requiere lentes ni orificios, parte integral de un campo conocido como holografía sin lentes.

Un obstáculo común al que se enfrenta la holografía sin lentes es la reconstrucción computacional del objeto fotografiado. Los métodos de reconstrucción tradicionales requieren un conocimiento detallado de la configuración experimental para una reconstrucción precisa y son sensibles a variables difíciles de controlar, como las aberraciones ópticas, la presencia de ruido y el problema de las imágenes gemelas.

El equipo de investigación también desarrolló una arquitectura de red neuronal profunda para mejorar la calidad de la reconstrucción de imágenes. Esta novedosa red neuronal profunda no entrenada incorpora una regularización de variación total para aumentar el contraste y tiene en cuenta el amplio ancho de banda espectral de la fuente. A diferencia de los métodos tradicionales de reconstrucción computacional que requieren datos de entrenamiento, esta red neuronal elimina la necesidad de entrenamiento al incorporar un modelo físico dentro del algoritmo. Además de la reconstrucción de imágenes holográficas, la red neutra también ofrece recuperación del espectro de fuente ciega a partir de un único patrón de intensidad difractada, lo que marca un cambio innovador con respecto a todas las técnicas de aprendizaje supervisadas anteriores.

La red neuronal no entrenada demostrada en este estudio permite a los investigadores utilizar nuevas fuentes de luz sin conocimiento previo del espectro de la fuente o el perfil del haz, como el novedoso y más pequeño LED de Si conocido descrito anteriormente, fabricado mediante una microelectrónica CMOS a granel sin modificar y totalmente comercial.

Los investigadores prevén que esta combinación sinérgica de micro-LED CMOS y la red neuronal se pueda utilizar en otras aplicaciones de imágenes computacionales, como un microscopio compacto para el seguimiento de células vivas o imágenes espectroscópicas de tejidos biológicos como plantas vivas. Este trabajo también demuestra la viabilidad de los sistemas de imágenes en chip de próxima generación. Ya se han empleado microscopios de holografía en línea para una variedad de aplicaciones, incluido el seguimiento de partículas, la monitorización ambiental, la obtención de imágenes de muestras biológicas y la metrología. Otras aplicaciones incluyen la disposición de estos LED en CMOS para generar iluminación coherente programable para sistemas más complejos en el futuro.

Iksung Kang, autor principal del artículo de Optica y asistente de investigación en el MIT en el momento de esta investigación, dijo: “Nuestro avance representa una prueba de concepto que podría tener un gran impacto para numerosas aplicaciones que requieren el uso de micro-LED. Por ejemplo, este LED podría combinarse en una matriz para obtener niveles más altos de iluminación necesarios para aplicaciones a mayor escala. Además, debido al bajo costo y la escalabilidad de los procesos CMOS microelectrónicos, esto se puede hacer sin aumentar la complejidad, el costo o el factor de forma del sistema. Esto nos permite convertir, con relativa facilidad, la cámara de un teléfono móvil en un microscopio holográfico de este tipo. Además, la electrónica de control e incluso el generador de imágenes podrían integrarse en el mismo chip aprovechando la electrónica disponible en el proceso, creando así un micro-LED "todo en uno" que podría ser transformador para el campo".

“Además de su inmenso potencial en holografía sin lentes, nuestro nuevo LED tiene una amplia gama de otras aplicaciones posibles. Debido a que su longitud de onda está dentro de la ventana de absorción mínima de los tejidos biológicos, junto con su alta intensidad y su área de emisión a nanoescala, nuestro LED podría ser ideal para aplicaciones de bioimagen y biodetección, incluida la microscopía de campo cercano y los dispositivos CMOS implantables”, añadió Rajeev Ram, investigador principal de SMART CAMP y DiSTAP, profesor de ingeniería eléctrica en el MIT y coautor de ambos artículos. "Además, es posible integrar este LED con fotodetectores en chip, y luego podría encontrar más aplicaciones en comunicación en chip, detección de proximidad NIR y pruebas de fotónica en obleas".

Esta investigación fue realizada por SMART y con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación (NRF) de Singapur en el marco de su programa Campus de Excelencia en Investigación y Empresa Tecnológica (CREATE).

Un LED de Si de sublongitud de onda integrado en una plataforma CMOS, Nature Communications (acceso abierto)

Astrobiología, Tricorder,

Cofundador de SpaceRef, miembro del Explorers Club, ex-NASA, equipos visitantes, periodista, espacio y astrobiología, escalador caído.