MIT создал программируемый инфракрасный чип для «умных» тепловизоров и газоанализаторов

Исследователи из MIT разработали программируемое оптическое устройство на кристалле, способное динамически управлять среднеинфракрасным излучением. Новая технология позволяет изменять фокусировку и свойства инфракрасного света без каких-либо механических элементов, открывая путь к созданию компактных тепловизоров, высокоточных газоанализаторов и интеллектуальных оптических вычислительных систем.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Каждый пиксель — отдельная линза

В основе разработки лежит активная метаповерхность — искусственная структура с нанометровым рельефом, способная управлять распространением света.

Главное отличие нового устройства заключается в том, что каждый микроскопический пиксель можно переключать независимо от соседних. Благодаря этому чип способен программно изменять свои оптические свойства, адаптируясь под конкретную задачу.

В отличие от традиционных инфракрасных систем, которым требуются подвижные линзы или фильтры, новая конструкция полностью твердотельная, что повышает её надёжность, уменьшает размеры и снижает стоимость.

Почему важен средний инфракрасный диапазон

Разработка работает со среднеинфракрасным диапазоном спектра — именно здесь располагаются характерные линии поглощения большинства органических соединений.

Это делает устройство особенно перспективным для:

• обнаружения утечек метана, пропана и других газов;
• мониторинга загрязнения атмосферы;
• тепловизионных систем;
• медицинской диагностики;
• аэрокосмических исследований;
• экологического мониторинга;
• систем ночного видения.

По словам авторов работы, технология может использоваться и для исследования космоса, где анализ инфракрасного спектра позволяет определять химический состав удалённых объектов.

Архитектура, позаимствованная у дисплеев

Ключевой инновацией стала кроссбарная архитектура управления пикселями, хорошо известная по современным дисплеям, но впервые применённая для активных метаповерхностей.

Конструкция включает:

• два взаимно перпендикулярных слоя медных проводников;
• слой легированного кремния, выполняющего роль локального нагревателя;
• фазоизменяемый материал, способный переключаться между кристаллическим и аморфным состояниями;
• диодные селекторы, предотвращающие паразитные токи между соседними элементами.

При нагреве отдельного участка структура материала меняется, что изменяет взаимодействие конкретного пикселя с инфракрасным светом.

Такой подход позволяет адресно управлять каждым элементом массива без сложной системы индивидуальной разводки.

Первые испытания

Исследователи изготовили демонстрационный образец с матрицей 6×6 программируемых пикселей, используя стандартные технологические процессы производства полупроводников совместно с инфраструктурой MIT.nano.

Испытания подтвердили:

• стабильную работу устройства;
• многократное переключение пикселей без деградации;
• возможность масштабирования технологии.

По расчётам авторов, предложенная архитектура потенциально поддерживает миллионы независимо управляемых пикселей, что делает её пригодной для практических инфракрасных камер высокого разрешения.

Возможности искусственного интеллекта

Одним из наиболее интересных направлений применения разработчики называют программируемую обработку изображения непосредственно в оптической системе.

Если заранее известно, какой объект необходимо обнаружить — например, человека в тёмном помещении, утечку газа или определённый тип растительности, — параметры метаповерхности можно заранее настроить таким образом, чтобы усиливать именно нужные инфракрасные сигналы ещё до их попадания на матрицу камеры.

Кроме того, подобные программируемые метаповерхности рассматриваются как перспективная аппаратная платформа для оптических нейронных сетей, в которых вычисления выполняются непосредственно световыми волнами, а не традиционными электронными схемами. Такой подход способен значительно снизить энергопотребление специализированных систем искусственного интеллекта.

Следующий этап

Теперь команда MIT намерена увеличить разрешение программируемой метаповерхности и повысить её долговечность. Поскольку значительная часть технологии уже совместима с существующими процессами производства микросхем, разработчики рассчитывают, что переход от лабораторного прототипа к промышленным изделиям окажется значительно проще.

Если технология будет успешно масштабирована, программируемые инфракрасные метаповерхности смогут стать основой нового поколения компактных тепловизоров, экологических сенсоров, систем промышленного контроля и оптических ускорителей искусственного интеллекта.

Источник: https://news.mit.edu/2026/tiny-infrared-chip-could-improve-gas-and-heat-detection-0713