La technologie de capteur développée par des chercheurs de l’Université Northeastern permet la détection d’objets d’intérêt incroyablement petits, des protéines isolées aux cellules cancéreuses individuelles.
Au cœur de chaque appareil photo se trouve un capteur, que ce capteur soit un ensemble de pixels détectant la lumière ou une bande de film 35 millimètres. Mais que se passe-t-il lorsque vous voulez photographier quelque chose de si petit que le capteur lui-même doit se réduire à des tailles qui font s’effondrer ses performances ?
Désormais, des chercheurs de l’Université Northeastern ont fait une découverte révolutionnaire dans les technologies de détection qui leur permet de détecter des objets aussi petits que des protéines individuelles ou des cellules cancéreuses uniques, sans avoir besoin de réduire la taille du capteur. Leur percée utilise des ondes acoustiques guidées et des états spécialisés de la matière pour atteindre une grande précision dans des paramètres très restreints.
L’appareil, qui a à peu près la taille d’une boucle de ceinture, ouvre des possibilités de détection aux échelles nanométrique et quantique, avec des répercussions sur tout, du calcul quantique à la médecine de précision.
Réduire la taille des appareils photo
Auparavant, lorsqu’un scientifique voulait braquer un appareil photo sur quelque chose de très petit, l’appareil photo lui-même devait également réduire sa taille. Cependant, à mesure que les systèmes d’appareils photo rétrécissent, la technologie se heurte à des barrières de plus en plus grandes, selon Cristian Cassella , professeur associé en génie électrique et informatique à Northeastern.
Spécialiste de la technologie microélectromécanique, c’est-à-dire des systèmes électriques et mécaniques qui fonctionnent à des échelles souvent plus petites que l’épaisseur d’un cheveu humain, Cassella explique qu’à mesure que la taille des pixels du capteur de l’appareil photo diminue, les performances et la sensibilité se dégradent toutes deux. Alors comment, s’est demandé Cassella, « pouvez-vous obtenir une réduction équivalente de la taille des pixels sans réduire la taille des pixels ? »
Bien que cela puisse sembler être une contradiction dans les termes, cela a forcé Cassella à penser différemment, l’amenant finalement à contacter son collaborateur Marco Colangelo , professeur assistant en génie électrique et informatique à Northeastern. Colangelo, Cassella et Siddhartha Ghosh , un professeur assistant en génie électrique et informatique qui a également contribué au projet, partagent tous un espace de laboratoire dans le bâtiment EXP de Northeastern.
Colangelo est un expert en physique de la matière condensée, qui, selon le journal Nature, étudie comment la matière se comporte à l’échelle atomique à l’état solide.
Leur découverte repose sur quelque chose en physique de la matière condensée appelé états d’interface topologiques. Ces états permettent aux chercheurs de concentrer l’énergie sur des régions à l’échelle nanométrique, en se focalisant sur des zones très étroites et hautement localisées sans la dégradation des performances qui accompagne la réduction de taille de l’appareil entier. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre.
En raison de sa précision, affirme Cassella, les applications potentielles s’étendent du calcul quantique à la médecine de précision. Il qualifie cela de « une étude fondatrice qui montre une technologie complètement nouvelle » , qui pourrait conduire à des progrès dans toutes les sciences et l’ingénierie.
Ghosh explique que leur approche signifie qu’ils évitent les limitations traditionnelles liées à la tentative de réduire de plus en plus la taille des dispositifs, utilisant plutôt « une physique astucieuse » pour contourner ces limitations.
Une révolution sensorielle
Appelé capteur à ondes acoustiques guidées topologiques, la première expérience des chercheurs était une preuve de concept, détectant un laser infrarouge de faible puissance avec un diamètre de cinq micromètres. C’est environ un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain.
« Ici, nous sommes vraiment capables de distinguer des niveaux d’excitation très faibles et des paramètres très localisés » , déclare Colangelo. Son enthousiasme découle principalement des nouveaux types de recherches en physique que ces dispositifs ouvrent. « Il existe certaines hypothèses sur le fonctionnement de la physique derrière ces dispositifs qui ne sont pas encore validées » , poursuit-il, mais une compréhension plus approfondie de cette physique aidera également à faire avancer les applications pratiques.
Ghosh reste prudent quant à la prédiction de l’importance future de la nouvelle technologie, mais pense également que c’est une découverte très excitante qui ouvre de nombreuses voies de recherche futures.
Lorsqu’il s’agit d’attribuer la paternité du projet, Colangelo et Cassella s’en remettent l’un à l’autre. Colangelo loue Cassella pour avoir dirigé le projet, tandis que Cassella s’empresse de souligner que le projet n’a été possible qu’avec le soutien d’une subvention que Colangelo a reçue de la Defense Advanced Research Projects Agency.
« Je pense que nous allons probablement travailler sur cette technologie pendant les 10 prochaines années » , affirme Cassella.
Source : NorthEastern
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