Winzige Lichtdetektoren funktionieren wie Gecko-Ohren

02.11.2018 - USA

Geckos und viele andere Tiere haben Köpfe, die zu klein sind, um die Position von Geräuschen so zu triangulieren, wie wir es tun. Stattdessen haben sie einen winzigen Tunnel durch ihre Köpfe, der die Art und Weise misst, wie eintreffende Schallwellen aufprallen, um herauszufinden, aus welcher Richtung sie kamen.

Angesichts ihres eigenen Problems der winzigen Größe und Triangulation haben Forscher der Stanford University ein ähnliches System entwickelt, um den Winkel des einfallenden Lichts zu erfassen. Ein solches System könnte winzige Kameras erkennen lassen, woher das Licht kommt, aber ohne die Masse eines großen Objektivs.

"Ein kleines Pixel auf Ihrer Fotokamera zu machen, das sagt, dass Licht aus dieser oder jener Richtung kommt, ist hart, weil die Pixel im Idealfall sehr klein sind - heutzutage etwa 1/100 eines Haares", sagt Mark Brongersma, Professor für Materialwissenschaft und Technik. "Also ist es, als hätten wir zwei Augen ganz nah beieinander und versuchen, sie zu kreuzen, um zu sehen, woher das Licht kommt."

Diese Forscher arbeiten an winzigen Detektoren, die viele Eigenschaften des Lichts aufzeichnen könnten, darunter Farbe, Polarität und nun auch den Lichtwinkel. Soweit sie wissen, ist das System, das sie in diesem Beitrag beschrieben haben, das erste, das zeigt, dass es möglich ist, den Lichtwinkel bei einer so kleinen Anordnung zu bestimmen.

"Der typische Weg, die Richtung des Lichts zu bestimmen, ist die Verwendung einer Linse. Aber diese sind groß und es gibt keine vergleichbaren Mechanismen, wenn man ein Gerät schrumpft, so dass es kleiner ist als die meisten Bakterien", sagt Shanhui Fan, Professor für Elektrotechnik.

Eine detailliertere Lichtdetektion könnte Fortschritte bei objektivlosen Kameras, Augmented Reality und Robotik unterstützen, was für autonome Autos wichtig ist.

Von Atomen zu Geckos

Wenn ein Geräusch nicht direkt von oben auf den Gecko kommt, nimmt ein Trommelfell im Wesentlichen etwas von der Schallwellenenergie auf, die sonst zum anderen durchdringen würde. Diese Schlussfolgerung hilft dem Gecko - und etwa 15.000 anderen Tierarten mit einem ähnlichen Tunnel - zu verstehen, woher ein Geräusch kommt.

Die Forscher imitieren diese Struktur in ihrem Photodetektor, indem zwei Silizium-Nanodrähte - jeder etwa 100 Nanometer im Durchmesser - nebeneinander aufgereiht sind, wie das Trommelfell des Geckos. Sie sind so eng angeordnet, dass, wenn eine Lichtwelle in einem Winkel einfällt, der Draht, der der Lichtquelle am nächsten ist, die Wellen stört, die auf ihren Nachbarn treffen und im Grunde genommen einen Schatten wirft. Der erste Draht, der das Licht erfasst, würde dann den stärksten Strom abgeben. Durch den Vergleich des Stroms in beiden Drähten können die Forscher den Winkel der einfallenden Lichtwellen abbilden.

Geckos waren nicht die Inspiration für den ersten Bau dieses Systems. Soongyu Yi, ein Doktorand der Elektro- und Informationstechnik an der University of Wisconsin-Madison und Hauptautor der Arbeit, stieß auf die Ähnlichkeit zwischen ihrem Design und den Ohren der Geckos, nachdem die Arbeit bereits begonnen hatte. Sie alle waren überrascht von der tiefen Ebene der Ähnlichkeit. Wie sich herausstellt, beschreibt die gleiche Mathematik, die sowohl die Gecko-Ohren als auch diesen Photodetektor erklärt, auch ein Interferenzphänomen zwischen eng angeordneten Atomen.

"Auf der theoretischen Seite ist es eigentlich sehr interessant zu sehen, wie viele der grundlegenden Interferenzkonzepte, die bis hin zur Quantenmechanik reichen, in einem Gerät auftauchen, das praktisch anwendbar ist", sagt Fan.

Ein langfristiges Engagement

Dieses Projekt begann, als einer der Co-Autoren der Arbeit, Zongfu Yu, ein Student im Fan-Labor war und die Initiative ergriff, seine Arbeit dort mit der Forschung von Brongersma und seinem Labor zu verbinden. Sie machten Fortschritte, mussten aber die Arbeit auf Eis legen, während Yu sich für eine Stelle in der Fakultät bewarb und später sein Labor an der University of Wisconsin-Madison gründete, wo er heute Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik ist und in dessen Labor Soongyu Yi arbeitet.

Viele Jahre später und nach der Veröffentlichung des aktuellen Proof-of-Concept sagten die Forscher, sie würden sich darauf freuen, auf ihren Ergebnissen aufzubauen. Die nächsten Schritte beinhalten die Entscheidung, was sie sonst noch aus Licht messen wollen, und das Anordnen mehrerer Nanodrähte nebeneinander, um zu sehen, ob sie ein komplettes Bildgebungssystem aufbauen können, das alle Details, die sie interessieren, auf einmal aufzeichnet.

"Wir haben lange daran gearbeitet - Zongfu hat eine ganze Lebensgeschichte zwischen Anfang und Ende dieses Projekts! Es zeigt, dass wir bei der Qualität keine Kompromisse eingegangen sind", sagte Brongersma. "Und es macht Spaß zu denken, dass wir für weitere 20 Jahre hier sein könnten, um das ganze Potenzial dieses Systems herauszufinden."

Originalveröffentlichung

Soongyu Yi, Ming Zhou, Zongfu Yu, Pengyu Fan, Nader Behdad, Dianmin Lin, Ken Xingze Wang, Shanhui Fan & Mark Brongersma; "Subwavelength angle-sensing photodetectors inspired by directional hearing in small animals"; Nature Nanotechnology; 2018

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