Исследователи разработали первое миниатюрное устройство на чипе — спектрометр в ультрафиолетовом диапазоне.
Учёные создали устройство на основе чипа, которое может разделять фононы — крошечные пакеты механических колебаний, переносящих информацию в квантовых системах. Это устройство поможет соединить различные квантовые устройства с помощью фононов, открывая путь для передовых вычислений и безопасной квантовой связи.
«Фононы могут служить квантовыми сообщениями на чипе, соединяя очень разные квантовые системы, что позволяет создавать гибридные сети и новые способы обработки квантовой информации в компактном масштабируемом формате», — сказал руководитель исследовательской группы Саймон Грёблахер из Делфтского технологического университета в Нидерландах.
Для создания практических фононных схем требуется полный набор компонентов на чипе, которые могут генерировать, направлять, разделять и обнаруживать отдельные кванты колебаний. Хотя источники и волноводы уже существуют, компактный сплиттер всё ещё отсутствовал.
В журнале Optica Quantum исследователи описывают свой компактный интегрированный четырёхпортовый направленный ответвитель для одиночных фононов и показывают, что он может выполнять контролируемое разделение и обеспечивать работу на квантовом уровне.
«Наше устройство может включить микроскопические маршрутизаторы и сплиттеры на чипе, которые связывают сверхпроводящие кубиты, часто используемые для быстрых квантовых вычислений, с системами на основе спина, которые хороши для хранения квантовой информации в течение более длительных периодов времени. Это также может сделать возможными различные квантовые эксперименты или чрезвычайно компактные сверхчувствительные механические датчики», — сказал Грёблахер.
Миниатюрный спектрометр в ультрафиолетовом диапазоне
Недавно лаборатория iGaN под руководством профессора Хайдинга Суня из Школы микроэлектроники Университета науки и технологий Китая (USTC) совместно с командой академика Шэн Лю из Уханьского университета успешно разработала первый в мире миниатюрный спектрометр в ультрафиолетовом диапазоне (УФ) и реализовала спектральную визуализацию на чипе.
Устройство, основанное на новой архитектуре каскадного фотодиода из нитрида галлия (GaN) и интегрированное с алгоритмами глубокой нейронной сети (DNN), обеспечивает высокоточное спектральное обнаружение и многоспектральную визуализацию с высоким разрешением.
С откликом в наносекундном масштабе оно устанавливает новый мировой рекорд среди самых быстрых миниатюрных спектрометров. Работа под названием «Миниатюрный спектральный визуализатор с каскадной диодной матрицей» была опубликована онлайн в Nature Photonics 26 сентября 2025 года.
Технология спектральной визуализации позволяет одновременно фиксировать как спектральную, так и пространственную информацию, что обеспечивает точное измерение и идентификацию сложных сред и объектов. Она находит широкое применение в анализе материалов, экологическом мониторинге, спутниковом дистанционном зондировании и исследовании дальнего космоса.
Однако традиционные спектральные визуализаторы используют дифракционные решётки и механическое сканирование, что делает их громоздкими, сложными и дорогостоящими, ограничивая их портативность и интеграцию. В частности, для приложений в глубоком ультрафиолетовом/ультрафиолетовом диапазоне, критически важных для биофармацевтики и обнаружения органических молекул, до сих пор не существовало жизнеспособного миниатюрного решения.
Чтобы преодолеть эту проблему, лаборатория iGaN предложила новую архитектуру каскадного фотодиода на основе GaN и разработала первый в мире чип для УФ-спектральной визуализации. Структура состоит из двух вертикально каскадированных асимметричных p–n диодов, которые могут быть изготовлены в виде массивов на 2-дюймовых пластинах и объединены путём склеивания.
Применяя внешнее смещение, перенос носителей демонстрирует зависящее от длины волны поведение, что позволяет настраивать двунаправленный спектральный отклик с помощью напряжения. С помощью алгоритмов DNN устройство реконструирует неизвестные спектры с высокой точностью.
Работа демонстрирует и подтверждает новую парадигму для миниатюрных спектрометрических чипов и впервые использует широкозонные нитридные полупроводники в качестве платформы для спектральных чипов. В будущем, регулируя состав материала и легирование или вводя другие полупроводниковые соединения (такие как CdS, ZnO, GaAs и InP), можно будет расширить рабочий диапазон этой архитектуры чипов от ультрафиолетового до видимого и даже инфракрасного.
Поскольку процесс изготовления полностью совместим с крупномасштабным производством полупроводников, размеры чипа можно дополнительно уменьшить до субмикронных или нанометровых масштабов, что позволит повысить разрешение при снижении затрат.
Команда ожидает, что производственные затраты упадут до одной сотой от стоимости обычных спектрометров. Подобно тому, как технология на основе кремния CCD/CMOS способствовала широкому распространению цифровых камер, этот миниатюрный спектрометр на основе GaN готов стать движущей силой новой волны промышленного прогресса в области спектральной визуализации.