Один снимок — 5600 звёзд. Оптический чип из Китая увеличил эффективность астрономии в 10 000 раз

Команда учёных из Цинхуа (Tsinghua University) представила оптический чип Yuheng, также называемый Rafael, который способен видеть мир и звёзды с точностью, недоступной традиционным камерам и спектрометрам. Размер устройства не превышает ногтя, однако оно может в реальном времени анализировать свет с лабораторной точностью.

По данным исследователей, чип обеспечивает спектральную чёткость, в 100 раз выше, чем у обычных систем мгновенного захвата изображения, и способен различать цвета, разделённые менее чем на одну десятую нанометра.

Авторы работы отмечают, что их метод «высокопроизводительного и легко интегрируемого спектрального анализа» может продвинуть исследования в таких областях, как материаловедение и астрофизика. Потенциал Yuheng огромен: например, он может ускорить составление карты Млечного Пути — процесс, который обычно занял бы тысячелетие, — до менее чем десяти лет.

Прорыв основан на переосмыслении фундаментальной задачи оптики. Обычно устройства анализа света разделяют поток на спектр цветов, что требует громоздких конструкций и снижает интенсивность света. Эта компромиссная зависимость между разрешением и эффективностью долгое время мешала созданию компактных и точных приборов.

Учёные пошли иным путём: вместо физического разделения лучей Yuheng пропускает весь свет сразу, создавая внутри уникальный интерференционный узор. Используется кристалл ниобата лития, который изменяет направление света под действием напряжения, а специальные алгоритмы восстанавливают исходный спектр.

В результате устройство сохраняет 73% пропускания света и работает со скоростью 88 кадров в секунду, объединяя высокое разрешение, яркость и быстродействие. По словам авторов, RAFAEL способен фиксировать спектры с субангстремным разрешением и получать данные о 5600 звёздах за один снимок, что означает рост эффективности наблюдений в 100–10 000 раз по сравнению с современными астрономическими спектрометрами.

Исследователи называют Yuheng шагом к созданию миниатюрных устройств, способных выполнять сложные оптические задачи. В медицине такие чипы могут применяться для неинвазивного анализа тканей, помогая раннему выявлению заболеваний.

В промышленности и экологии микрочип может использоваться в дронах для мониторинга состояния почвы и загрязнений, а в беспилотных автомобилях — для более точного распознавания дорожных поверхностей и объектов при сложном освещении.

В астрономии команда планирует испытать Yuheng на телескопе Gran Telescopio Canarias в Испании — крупнейшем в мире однозеркальном оптическом телескопе. С его помощью исследователи хотят изучать звёзды, галактики, тёмную материю и чёрные дыры эффективнее, чем когда-либо прежде.

Пока технология остаётся экспериментальной: разработчики продолжают улучшать стабильность и возможности интеграции. Полный текст исследования опубликован в журнале Nature.