ІЧ світло у кольорі: науковці створили новий тип нічного бачення

Людське око обмежене еволюцією: інфрачервоні (ІЧ) фотони з довжиною хвилі понад 700 нанометрів не несуть достатньо енергії (менше ніж 1,6 електронвольта), щоб змінити форму світлочутливого пігменту в сітківці та запустити нервовий імпульс. Через це понад половина сонячної енергії та все теплове випромінювання залишаються поза межами нашого зору.

• Смартфон без рамок: який рекорд хочуть зробити в Tecno

Деталі

Традиційні пристрої нічного бачення розв'язують цю проблему лише частково. Вони перетворюють інфрачервоне світло на зеленувате світіння різної інтенсивності. Проте людське око значно краще розрізняє тонкі колірні відтінки, ніж градації яскравості, тому значна частина нашої зорової чутливості залишається невикористаною.

Дослідники з Пекінського технологічного інституту під керівництвом Сінь Тана (Xin Tang) та Ге Му (Ge Mu) розробили пристрій, який докорінно змінює цей підхід: він кодує різні довжини ІЧ-хвиль у видимі кольори, наближаючи інфрачервоний зір до природного.

Архітектура пристрою: від квантових точок до двошарового OLED

Нова технологія поєднує два ключові компоненти в єдину напівпрозору структуру:

• Колоїдні квантові точки з телуриду ртуті HgTe: розпізнають вхідне інфрачервоне світло.
• Двошаровий світлодіод (OLED): перетворює отриманий електричний сигнал у видиму колірну палітру.

1. Детекція через квантові точки

Звичайні напівпровідники мають безперервні енергетичні смуги й поглинають світло "узагальненим масивом". Натомість квантові точки HgTe діаметром всього 4 нанометри завдяки ефекту квантового обмеження мають дискретні (ступінчасті) енергетичні рівні:

• Довгі хвилі (близько 2 мкм): фотони збуджують базову заборонену зону, генеруючи невелику кількість носіїв заряду (електронів та дірок).
• Короткі хвилі (більш енергійні): активують додаткові високоенергетичні переходи. Один фотон може генерувати більше однієї електронно-діркової пари.

У результаті коротка довжина хвилі та висока інтенсивність ІЧ-світла виштовхують більшу кількість позитивно заряджених дірок у бік OLED-шару.

2. Колірне кодування у двошаровому OLED

OLED-модуль складається з двох емісійних шарів із люмінофорами різного кольору, розділених енергетичним бар'єром приблизно в 0,82 електронвольта:

• Перший шар (червоний): захоплює носії при низькому потоці дірок (тьмяне або довгохвильове ІЧ-світло). Пристрій випромінює м'який червоний колір.
• Другий шар (блакитний): розташований за бар'єром. Коли інтенсивність ІЧ-світла зростає або довжина хвилі коротшає, потік дірок насичує бар'єр і проникає в блакитний шар.

Змішування червоного та блакитного світіння змінює загальний відтінок і яскравість. Така система дозволяє окоподібно розрізняти відмінності в ІЧ-потужності приблизно у 200 разів точніше, ніж одноколірні монітори яскравості.

Прототипи: від окулярів до біологічного інтерфейсу

Науковці створили робочий окуляр вагою всього 23 грами з активною площею огляду 3,57 см кв. Завдяки напівпрозорості він може працювати як у режимі доповненої реальності (накладаючи колірну ІЧ-картину на звичайний зір), так і в режимі повного занурення.

Також команда перевірила взаємодію технології з біологічною зоровою системою:

• Клітинний рівень: перетворене світло успішно викликало фотоструми у нейронах з білком каналродопсин-2.
• Організми: ІЧ-імпульси через конвертер викликали чіткі реакції на ЕЕГ у мишей та ЕРГ (електроретинограму) у людей-добровольців. Без конвертера інфрачервоне світло жодної реакції не викликало.

Наявні обмеження та виклики

Попри потенціал для створення очних імплантатів та окулярів нічного бачення нового покоління, технологія має кілька суттєвих обмежень:

• Лабораторні умови: тести проводилися з каліброваними джерелами світла та чіткими геометричними фігурами. Як поводитиметься колірне кодування в реальному світі з хаотичним ІЧ-фоном, поки невідомо.
• Потреба в живленні: OLED-структура вимагає зовнішнього джерела енергії, що робить пристрій активним дисплеєм, а не пасивною лінзою.
• Токсичність матеріалів: телурид ртуті (HgTe) містить важкі метали. Питання біосумісності, тривалого контакту зі шкірою або імплантації в сітківку наразі залишаються відкритими.

Також ми писали, що нового буде в Tesla Model Y L 2027. Новий автомобіль створений розв'язати деякі проблеми за рахунок подовженого кузова та нової компоновки.