Trung Quốc phát triển chip chỉ nhỏ bằng móng tay nhưng mạnh ngang cả phòng thí nghiệm, có thể lập bản đồ 5.600 ngôi sao chỉ trong vài giây

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Thanh Hoa (Tsinghua University) đã chế tạo thành công một con chip quang học siêu nhỏ, có khả năng ghi nhận ánh sáng sao với tốc độ 88 khung hình/giây và độ phân giải sắc nét gấp 100 lần camera hay thiết bị quang phổ thông thường.

Con chip mang tên Yuheng (còn gọi là Rafael) có thể phân tích ánh sáng theo thời gian thực với độ chính xác vốn chỉ thấy ở những hệ thống quang học lớn trong phòng thí nghiệm. Theo nhóm nghiên cứu, Yuheng đạt độ sắc nét quang phổ cao gấp 100 lần máy ảnh thông thường và có thể phân biệt các bước sóng lệch nhau chưa tới 1/10 nanomet.

“Phương pháp chụp phổ hiệu suất cao, dễ tích hợp này có thể tạo bước tiến lớn cho nhiều lĩnh vực, từ khoa học vật liệu đến thiên văn học”, các tác giả cho biết.

Nhờ năng lực xử lý của chip, việc lập bản đồ Dải Ngân hà – vốn có thể mất hàng ngàn năm theo cách truyền thống – có thể rút xuống còn chưa đầy một thập kỷ.

Thiết bị mang tên Yuheng giúp mở ra khả năng thu nhỏ những hệ thống quang học vốn cồng kềnh trong phòng thí nghiệm. Ảnh: IE 

Thành quả từ cách tiếp cận và thuật toán mới

Các thiết bị quang học thông thường phải tách ánh sáng thành dải màu để phân tích, nhưng độ tách càng cao thì ánh sáng mất đi càng nhiều và hệ thống càng cồng kềnh. Bài toán đánh đổi giữa độ phân giải và hiệu suất khiến việc thu nhỏ thiết bị trở nên gần như bất khả thi.

Nhóm nghiên cứu đã chọn một hướng đi khác. Thay vì tách ánh sáng, chip Yuheng cho phép toàn bộ ánh sáng đi vào cùng lúc và mã hóa nó qua một mô hình giao thoa ngẫu nhiên bên trong thiết bị. 

Kết hợp với tinh thể lithium niobate – vốn có khả năng bẻ cong ánh sáng khi có điện áp – con chip thu được thông tin màu sắc chi tiết. Sau đó, thuật toán xử lý tái dựng quang phổ đầy đủ gần như lập tức.

Kết quả là một thiết bị có hiệu suất ấn tượng: truyền qua tới 73% ánh sáng, ghi 88 khung hình/giây và đạt độ phân giải màu siêu cao mà không làm giảm độ sáng hay tốc độ. Nói cách khác, nó nén sức mạnh của cả một hệ quang học cỡ lớn vào một con chip nhỏ bằng móng tay.

Theo nhóm nghiên cứu, Rafael có thể thu phổ dưới mức “angstrom” – bao gồm toàn bộ các đỉnh hấp thụ nguyên tử – của tới 5.600 ngôi sao chỉ trong 1 lần chụp, cho thấy hiệu quả quan sát tăng gấp 100 – 10.000 lần so với các máy quang phổ thiên văn hàng đầu thế giới.

Ứng dụng thực tế

Yuheng được xem là bước tiến lớn hướng tới các thiết bị quang học siêu nhỏ nhưng có độ chính xác và tốc độ vượt trội. 

Ứng dụng tiềm năng của con chip này là rất rộng. Trong y học, nó có thể giúp phân tích mô không xâm lấn; với drone, chip có thể đánh giá chất lượng đất hoặc phát hiện ô nhiễm; xe tự lái có thể nhận diện mặt đường, biển báo và vật cản chính xác hơn trong điều kiện ánh sáng phức tạp.

Trong thiên văn học, nhóm nghiên cứu có kế hoạch thử nghiệm chip trên kính viễn vọng Gran Telescopio Canarias tại Tây Ban Nha – kính thiên văn quang học khẩu độ đơn lớn nhất thế giới – để quan sát sao, thiên hà, vật chất tối và hố đen hiệu quả hơn.

Tuy vậy, công nghệ này vẫn ở giai đoạn đầu. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục cải thiện độ ổn định và khả năng tích hợp của chip trước khi có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi.

Theo Interesting Engineering