可捕获广谱光线的新型光电探测器

一种新型的轻便、廉价的高光谱相机可以实现精确农业。此图显示如何将不同的像素调谐到特定的光频率，以指示作物田的各种特殊需求。

为了实现这一目标，制作了只有100纳米宽的银立方体，并将它们放在一层只有几纳米高的透明薄膜上。当光照射到纳米立方体的表面时，它会激发银的电子，捕获光的能量，但只在特定的频率。

银纳米立方体的大小及其与金基底层的距离决定了频率，而吸收的光的数量可以通过控制纳米颗粒之间的间距来调节。通过精确地调整这些尺寸和间距，研究人员可以使系统对他们想要的任何电磁频率做出响应。

为了将这种基本的物理现象应用于商业化的高光谱相机，研究人员需要设计一个由微小的、独立的探测器组成的网格，每个探测器都被调谐到不同的光频率，形成一个更大的“超级像素”。

为了达到这一目的，研究小组展示了四种适合750到1900纳米波长的光电探测器。等离子体超表面从入射光的特定频率吸收能量并加热。这种热会导致位于其正下方的一层叫做氮化铝的热释电材料的晶体结构发生变化。这种结构变化产生一个电压，然后由硅半导体触点的底层读取，然后将信号传输到计算机进行分析。

外科医生可能会在手术中使用多光谱成像来区分癌组织和健康组织。食品和水安全检查员可以用它来判断鸡胸肉何时被危险细菌污染。

新的光电探测器允许具有前所未有的频率范围的多光谱相机是从三层建造的。银纳米立方体在一层薄薄的金上的大小和间距决定了它们吸收的频率，从而导致它们升温。一种叫做氮化铝的热释电材料的薄层然后将热量转换成电信号，电信号由底部的硅半导体层接收并携带。

在来自戈登和贝蒂摩尔基金会的摩尔发明家联谊会的支持下，Mikkelsen把她的目标放在了精准农业上。虽然植物在肉眼看来可能只有绿色或棕色，但从它们的叶子反射出来的可见光谱之外的光包含了大量有价值的信息。

获得‘光谱指纹’可以准确识别一种材料及其成分。它不仅可以指示植物的类型，还可以确定其状况，是否需要水，是否受到胁迫或氮含量低，表明需要施肥。仅仅通过研究植物的光谱图像，我们就可以了解植物，这真是令人吃惊。

高光谱成像可以使肥料、杀虫剂、除草剂和水只在需要的地方使用，从而实现精确农业，节约用水和资金，减少污染。想象一下，一个安装在无人机上的高光谱相机绘制了一个田地的状况图，并将该信息传输到一台拖拉机上，该拖拉机设计用于在田地中以可变速率输送肥料或农药。

据估计，目前用于生产肥料的过程占全球能源消耗的百分之二，占全球二氧化碳排放量的百分之三。同时，研究人员估计50%到60%的肥料被浪费掉了。“想象一下，不仅在美国，而且在那些肥料和水经常短缺的低收入和中等收入国家，所产生的影响。通过知道如何利用这些稀少的资源，我们可以显著提高作物产量，帮助减少饥饿。”

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