یک تیم پژوهشی از دانشگاه تسینگهوا (Tsinghua University) در چین، تراشه‌ای انقلابی به نام رافائل (RAFAEL) را معرفی کردند که یکی از قدیمی‌ترین چالش‌های علم طیف‌سنجی را برطرف کرده است: دستیابی همزمان به وضوح طیفی بسیار بالا و کارایی نوری زیاد.
حل چالش‌های طیف‌سنجی
طیف‌سنجی ابزاری بنیادی برای کشف ساختارهای فیزیکی و ترکیبات شیمیایی ماده است و در شاخه‌هایی چون فیزیک، شیمی، نجوم و علوم زیستی نقشی اساسی دارد. با این حال، ابزارهای سنتی همواره با چالشی ذاتی روبه‌رو بوده‌اند: افزایش وضوح طیفی معمولا به کاهش شدت نور ورودی و کارایی منجر می‌شود، و برعکس. این تضاد، دستیابی به هر دو ویژگی را به‌طور همزمان تقریبا ناممکن کرده بود.
اما تراشه رافائل این امکان را فراهم می‌کند که هر پیکسل حسگر، داده‌های طیفی کامل را با عبور نوری بسیار بالا ثبت کند. این تراشه می‌تواند تصویربرداری طیفی لحظه‌ای (Snapshot Spectroscopy) را با وضوح فضایی ۱۰ مگاپیکسلی و دقت طیفی ۰٫۰۵ نانومتر در گستره طول‌موج‌های مرئی تا فروسرخ نزدیک انجام دهد.
به گفته فانگ لو (Fang Lu)، استاد دانشگاه تسینگهوا و مسئول این پژوهش، تراشه جدید با وجود ابعاد کوچک، ابزاری قدرتمند برای کشف پدیده‌های مرموزی چون ماده تاریک و سیاه‌چاله‌ها خواهد بود و در عین حال، می‌تواند تحقیقات حوزه‌هایی چون علم مواد و اخترفیزیک را نیز متحول کند.
فیزیک هوشمند و الگوریتم‌های نو؛ رمز دقت خیره‌کننده رافائل
تراشه رافائل در ابعادی به اندازه یک ناخن طراحی شده و می‌تواند نور و رنگ‌ها را با دقتی ثبت کند که تا پیش از این تنها در تجهیزات اپتیکی آزمایشگاهی ممکن بود. درون تراشه، بلور لیتیوم نیوبات (Lithium Niobate) با قابلیت خم‌کردن مسیر نور تحت ولتاژ، به همراه الگوهای تداخلی تصادفی، داده‌های رنگی فوق‌دقیقی تولید می‌کنند. سپس الگوریتم‌های پردازش داده پیشرفته این داده‌ها را رمزگشایی کرده و طیف کامل رنگ‌ها را بازسازی می‌کنند.
نتیجه این رویکرد شگفت‌انگیز است: تراشه رافائل ۷۳ درصد بازده عبور نور دارد و با سرعت ۸۸ فریم در ثانیه تصویربرداری می‌کند، بدون آنکه از روشنایی یا دقت کاسته شود. در واقع، عملکرد آن معادل یک میز آزمایشگاهی اپتیکی بزرگ است که درون تراشه‌ای به اندازه یک بند انگشت فشرده شده است.
در آزمایش‌های میدانی، تراشه رافائل (RAFAEL) توانست در یک برداشت تصویری، طیف نوری ۵۶۰۰ ستاره را با دقت زیر آنگستروم (Sub-Ångström) ثبت کند. این دستاورد، نشانگر افزایش کارایی بین ۱۰۰ تا ۱۰ هزار برابر نسبت به پیشرفته‌ترین طیف‌سنج‌های نجومی جهان است. پژوهشگران می‌گویند که اگر از این تراشه برای نقشه‌برداری از کهکشان راه شیری استفاده شود، کاری که در روش‌های پیشین هزاران سال زمان می‌برد، اکنون با کمک رافائل در کمتر از ده سال قابل انجام است.
کاربردهای تراشه رافائل تنها به اخترفیزیک محدود نمی‌شود. این فناوری می‌تواند در پزشکی برای بررسی غیرتهاجمی بافت‌ها و تشخیص بیماری‌ها، در پهپادها برای پایش خاک و شناسایی آلاینده‌ها، و در خودروهای خودران برای تشخیص دقیق موانع در شرایط نوری دشوار به کار رود.
منبع: qazinform
