Des chercheurs affiliés au SMART, une institution singapourienne associée au prestigieux MIT, ont créé la plus petite LED au monde. Ils ont aussi développé un système holographique qui, couplé à cette minuscule diode, pourrait permettre de transformer un simple smartphone en microscope à haute résolution.
Cette étude s’inscrit dans la continuité d’autres travaux sur les puces photoniques — des composants qui ne font pas intervenir les électrons, mais les photons qui composent la lumière afin de construire un circuit fonctionnel.
Ces systèmes affichent un potentiel très intéressant dans de nombreuses disciplines qui reposent sur l’optique. Le problème, c’est que jusqu’à présent, il n’existait pas de loupiote suffisamment petite pour être intégrée à ces micropuces. Les puces photoniques actuelles dépendent donc d’une source de lumière externe, ce qui limite grandement leur intérêt pratique.
Une nano-diode étonnamment performante
C’est pour combler cette lacune que les chercheurs singapouriens ont conçu cette LED pas comme les autres. Ils affirment qu’elle est « plus petite que la longueur d’onde de la lumière ». Pour référence, la lumière visible s’arrête à 780 nanomètres, ce qui correspond à la frontière entre le rouge visible et l’infrarouge. Cela suggère que la diode mesure quelques centaines de nanomètres au grand maximum, et qu’elle est donc 50 à 500 fois plus fine qu’un cheveu.
Et il ne s’agit pas seulement d’une preuve de concept. Cette nano-LED est capable de produire une lumière relativement intense, et même comparable à celle de diodes bien plus imposantes. Ils ont donc pu l’intégrer directement à un minuscule capteur CMOS avec plusieurs autres composants photoniques et électroniques, le tout sur une même puce.
Un composant idéal pour les microscopes holographiques
Ce capteur a ensuite été intégré à un microscope holographique. C’est un type de microscope qui est dépourvu des optiques traditionnelles. La lumière ne passe pas par un ensemble de lentilles et de miroirs ; à la place, la lumière est diffusée sur un capteur numérique pour créer une représentation holographique de l’objet. Ces données sont ensuite traitées par un ordinateur qui se charge de produire l’image finale.
Il s’agit généralement de l’étape la plus compliquée en pratique. En effet, reconstruire l’image finale avec un degré de précision acceptable, il faut maîtriser tout un tas de variables qu’il est parfois difficile de contrôler. Dans le cas contraire, le résultat peut être extrêmement bruité ou présenter des aberrations optiques.
Pour contourner ces problèmes, cette dernière étape a été réalisée grâce à un réseau de neurones artificiels. Et apparemment, la manipulation a remarquablement bien fonctionné. Les chercheurs affirment que leur dispositif est capable de produire des images plus précises qu’un microscope optique standard, mais sans les contraintes liées au positionnement et à la calibration de la lentille.
Dans leur papier de recherche, les auteurs ont calculé que la résolution de leur appareil était de l’ordre de 20 micromètres. Pour référence, le diamètre d’un cheveu moyen se situe généralement entre 50 et 200 micromètres. C’est encore très loin des microscopes optiques professionnels. Les plus performants peuvent en effet discerner des détails de quelques centaines de nanomètres. Mais cela reste très impressionnant pour une preuve de concept de ce genre, qui va sans doute être améliorée à l’avenir.
Bientôt des microscopes dans nos smartphones ?
Ce concept pourrait donc être intégré à de vrais instruments assez rapidement. Les chercheurs mentionnent notamment des applications en biologie végétale et humaine ; un microscope de ce genre pourrait permettre d’étudier des cellules de près avec une grande facilité.
Les auteurs suggèrent même que cette technologie pourrait être facilement intégrée à un smartphone tout ce qu’il y a de plus normal. II suffirait d’intégrer les circuits photoniques nécessaires à la puce de l’appareil et de placer cette fameuse nano-LED au niveau du bloc photo. On peut donc imaginer que d’ici quelques années, certains téléphones portables pourraient embarquer un véritable microscope en bonne et due forme.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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