マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、新しいタイプのチップを開発し、赤外線カメラをさらに小型化、スマート化、多機能化することができ、可動部品を使用せずに赤外線光をキャッチする方法を調整できるようにしました。この技術は、熱画像、ガス漏れ検出、汚染監視、そして将来の光学計算システムを改善します。このデバイスは、半導体チップ上に構築されたプログラム可能な赤外線レンズとして機能します。従来の赤外線システムが焦点距離を変更するために重い機械部品に依存しているのに対し、この新しい設計は微視的なピクセルレベルで光を電子的に制御することができます。
各ピクセルは、入射する中赤外線光との相互作用の方法を独立して変更できるため、レンズは光学特性を動的に調整し、カメラが同じシーンから異なるタイプの情報を収集できるようにします。
新型赤外線カメラ技術が多様なアプリケーションの発展を促進
研究者たちは、半導体チップ製造で一般的な製造プロセスを利用して、実験室規模のプロトタイプを構築しました。これは、この設計が最終的に工業規模で生産可能であることを示しています。システムは、相変化材料と、ディスプレイ技術で使用される交差配線ネットワークを組み合わせています。配線の交差点では、ドープされたシリコンによって生成された熱が材料の小さな領域を結晶状態と非晶状態の間で切り替えます。これらの変化は、各ピクセルが赤外線光を操作する方法を変えます。従来のプログラム可能な超表面は、通常、全体のレンズを一度に制御するか、各ピクセルのために複雑な配線を必要とし、大規模な設計を困難にしていました。
新しい交差構造は、二次元ピクセルレベルの制御を実現し、不要な電気的干渉を減少させることで、この課題を解決しました。
マサチューセッツ工科大学の材料科学および工学の教授、胡珏君は次のように述べています。「私たちはいくつかの計算を行い、この構造が潜在的に数百万のピクセルに拡張できることを示しましたが、[予期しない] 電流の問題は発生しません。この交差構造が重要な革新であり、超表面のピクセルレベルの切り替えを拡張するスケーラブルな方法を創造しました。この構造を発明したわけではなく、ディスプレイで既に使用されていますが、アクティブな相変化超表面に使用されたのは初めてで、ピクセルレベルの制御が実現できることを示しています。」研究チームは6×6の超表面ピクセルアレイを作成し、そのアレイが機能を失うことなく状態を繰り返し切り替えることができることを発見しました。
研究者たちは、この技術が環境監視から国防までのさまざまなアプリケーションをサポートできると述べています。中赤外線光は特に有用で、多くのガスや有機分子がこの波長範囲内で光を吸収するため、メタンやプロパンなどの化学物質を検出する上で重要な価値を持っています。第一著者のコスミン・コンスタンティン・ポペスコは、「これは私たちが宇宙を研究する際により多くの情報を提供したり、環境保護を支援したり、大気中の特定の化合物を監視したりするのに役立ちます。」と述べています。また、熱画像は別のアプリケーションであり、現在使用されているナイトビジョンゴーグルなどの軍事用途も考えられます。」
チームは、プログラム可能な超表面が最終的に光学計算をサポートできると信じています。光を使用して計算を実行し、従来の電子回路ではなくなるのです。胡教授は、将来のバージョンはユーザーが検出したい内容に基づいて特定の物体やパターンを強調するように構成できると述べています。研究者たちは現在、ピクセル数を増やし、デバイスの耐久性を改善するために取り組んでおり、半導体製造との互換性を維持しながら、より詳細な赤外線情報をキャッチできるようにしています。この研究は『ネイチャー・コミュニケーションズ』に発表されました。