Le spectromètre qui tient dans une puce

Un appareil d’analyse qui tenait naguère dans une pièce entière tient désormais dans une puce de quelques millimètres. Des chercheurs de l’université de Californie à Davis viennent de le prouver.

Les spectromètres servent à identifier la composition des matériaux. Ils sont partout : dans les hôpitaux pour repérer des maladies, dans l’industrie alimentaire pour contrôler la qualité, ou encore chez les agences environnementales pour mesurer la pollution. Mais leur taille et leur coût les ont longtemps réservés aux laboratoires.

Pourquoi la miniaturisation semblait impossible

Un spectromètre classique décompose la lumière en ses différentes couleurs, comme un prisme. Cette opération demande de l’espace : la lumière doit parcourir une certaine distance avant d’être mesurée. Réduire cet espace faisait baisser la précision. Beaucoup pensaient donc que la miniaturisation avait une limite.

L’équipe de Davis a contourné le problème. Plutôt que de séparer les couleurs, elle a conçu une puce dotée de seize capteurs en silicium. Chaque capteur réagit un peu différemment à la lumière entrante. Aucun ne donne le spectre complet, mais ensemble ils produisent un signal codé.

L’IA qui lit entre les lignes

Un réseau de neurones a été entraîné sur des milliers d’exemples. Il a appris à décoder ces signaux et à reconstruire le spectre original. Résultat : une résolution de huit nanomètres dans une surface de 0,4 millimètre carré. C’est plus petit qu’un grain de sable.

Le vrai défi était la lumière proche infrarouge, utile pour voir à travers les tissus humains. Le silicium y est habituellement peu sensible. Les chercheurs ont gravé une texture microscopique à sa surface. Les photons rebondissent alors à l’intérieur au lieu de traverser la puce. Le silicium absorbe donc plus de lumière infrarouge.

Ce que cela change

Imaginez un petit boîtier portable qui pourrait :

• Repérer une tumeur sans piqûre
• Vérifier la fraîcheur d’un fruit directement au champ
• Suivre la pollution en temps réel depuis un drone
• Détecter un faux médicament à la pharmacie

La puce résiste aussi bien aux parasites électriques, un atout pour l’usage en extérieur.

Une nouvelle façon de concevoir

Le plus intéressant n’est pas seulement la taille. C’est la méthode. Au lieu de compresser un appareil existant, les chercheurs ont remplacé une partie mécanique par du calcul. Le matériel reste simple ; l’intelligence artificielle fait le gros du travail.

Dans cinq ou dix ans, les gros spectromètres de labo ne disparaîtront pas, mais beaucoup de mesures se feront sur place, avec des appareils de poche. C’est un nouvel exemple de cette alliance entre capteurs et algorithmes qui transforme déjà la médecine, l’agriculture et l’environnement.