Imagine un sensor ambiental portátil que puede analizar instantáneamente el agua en busca de plomo E. coli y pesticidas al mismo tiempo, o un biosensor que puede realizar un análisis de sangre completo con solo una gota. Esa es la promesa de la interferometría plasmónica a nanoescala, una técnica que combina la nanotecnología con los plasmónicos: la interacción entre electrones en unmetal y luz.
Ahora, los investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Brown han hecho un avance fundamental importante que podría hacer que tales dispositivos sean más prácticos. El equipo de investigación ha desarrollado una técnica que elimina la necesidad de fuentes de luz externas altamente especializadas que entreguen luz coherente, que normalmente es la técnicarequiere. El avance podría permitir dispositivos más versátiles y más compactos.
"Siempre se supuso que la luz coherente era necesaria para la interferometría plasmónica", dijo Domenico Pacifici, profesor de ingeniería que supervisó el trabajo con su investigador postdoctoral Dongfang Li y el estudiante graduado Jing Feng. "Pero pudimos refutarlo".esa suposición "
La investigación se describe en Nature Informes científicos .
Los interferómetros plasmónicos hacen uso de la interacción entre la luz y los polaritones del plasmón superficial, ondas de densidad creadas cuando la energía de la luz hace vibrar electrones libres en un metal. Un tipo de interferómetro parece una estructura de ojo de buey grabada en una capa delgada de metal.El centro es un agujero atravesado por la capa de metal con un diámetro de aproximadamente 300 nanómetros, aproximadamente 1,000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano. El agujero está rodeado por una serie de ranuras grabadas, con diámetros de unos pocos micrómetros.estos ojos de buey se pueden colocar en un chip del tamaño de una uña.
Cuando la luz de una fuente externa se muestra en la superficie de un interferómetro, algunos de los fotones atraviesan el orificio central, mientras que otros se dispersan por las ranuras. Esos fotones dispersos generan plasmones superficiales que se propagan a través del metal hacia el orificio, donde interactúan con los fotones que pasan a través del orificio. Eso crea un patrón de interferencia en la luz emitida por el orificio, que puede ser registrado por un detector debajo de la superficie metálica.
Cuando se deposita un líquido encima de un interferómetro, la luz y los plasmones superficiales se propagan a través de ese líquido antes de interferir entre sí. Eso altera los patrones de interferencia detectados por el detector dependiendo de la composición química del líquido o compuestospresente en él. Mediante el uso de diferentes tamaños de anillos de ranura alrededor del orificio, los interferómetros se pueden ajustar para detectar la firma de compuestos o moléculas específicas. Con la capacidad de colocar muchos interferómetros sintonizados de manera diferente en un chip, los ingenieros pueden hacer hipotéticamente un detector versátil.
Hasta ahora, todos los interferómetros plasmónicos han requerido el uso de fuentes de luz externas altamente especializadas que pueden entregar luz coherente: haces en los que las ondas de luz son paralelas, tienen la misma longitud de onda y viajan en fase es decir, los picos y vallesde las ondas están alineadas. Sin fuentes de luz coherentes, los interferómetros no pueden producir patrones de interferencia utilizables. Sin embargo, ese tipo de fuentes de luz tienden a ser voluminosas, costosas y requieren una alineación cuidadosa y una recalibración periódica para obtener una respuesta óptica confiable.
Pero Pacifici y su grupo han encontrado una forma de eliminar la necesidad de luz coherente externa. En el nuevo método, los átomos fluorescentes emisores de luz se integran directamente dentro del pequeño orificio en el centro del interferómetro. Una fuente de luz externaaún es necesario para excitar a los emisores internos, pero no necesita ser una fuente coherente especializada.
"Este es un concepto completamente nuevo para la interferometría óptica", dijo Pacifici, "un dispositivo completamente nuevo"
En este nuevo dispositivo, la luz incoherente que se muestra en el interferómetro hace que los átomos fluorescentes dentro del orificio central generen plasmones de superficie. Esos plasmones se propagan hacia afuera desde el orificio, rebotan en los anillos de la ranura y se propagan hacia el orificio después.el plasmón se propaga hacia atrás, interactúa con el átomo que lo liberó, causando una interferencia con el fotón transmitido directamente. Debido a que la emisión de un fotón y la generación de un plasmón son indistinguibles, las rutas alternativas que se originan en el mismo emisor, el proceso es naturalmente coherentey, por lo tanto, puede producirse interferencia aunque los emisores se exciten de forma incoherente
"Lo importante aquí es que este es un proceso de autointerferencia", dijo Pacifici. "No importa que estés usando luz incoherente para excitar a los emisores, aún obtienes un proceso coherente".
Además de eliminar la necesidad de fuentes de luz externas especializadas, el enfoque tiene varias ventajas, dijo Pacifici. Debido a que los plasmones de la superficie salen del agujero y regresan nuevamente, sondean la muestra en la parte superior de la superficie del interferómetro dos veces. Eso hace queel dispositivo más sensible
Pero esa no es la única ventaja. En el nuevo dispositivo, se puede proyectar luz externa desde debajo de la superficie metálica que contiene los interferómetros en lugar de desde arriba. Eso elimina la necesidad de arquitecturas de iluminación complejas en la parte superior de la superficie de detección, lo que podría hacer quepara una integración más fácil en dispositivos compactos.
Los emisores de luz incrustados también eliminan la necesidad de controlar la cantidad de líquido de muestra depositado en la superficie del interferómetro. Las gotas grandes de líquido pueden causar efectos de lentes, una curvatura de la luz que puede codificar los resultados del interferómetro. La mayoría de los sensores plasmónicos hacen usode pequeños canales microfluídicos para entregar una película delgada de líquido para evitar problemas de lentes, pero con los emisores de luz internos excitados desde la superficie inferior, la luz externa nunca entra en contacto con la muestra, por lo que se niegan los efectos de las lentes, al igual que la necesidad de microfluidos.
Finalmente, los emisores internos producen una luz de baja intensidad. Eso es bueno para sondear muestras delicadas, como proteínas, que pueden dañarse con la luz de alta intensidad.
Se requiere más trabajo para sacar el sistema del laboratorio y colocarlo en los dispositivos, y Pacifici y su equipo planean continuar refinando la idea. El siguiente paso será tratar de eliminar la fuente de luz externa por completo. Podría ser posible,Los investigadores dicen que, con el tiempo, excitarán a los emisores internos utilizando pequeñas líneas de fibra óptica, o tal vez corriente eléctrica.
Aún así, esta prueba de concepto inicial es prometedora, dijo Pacifici.
"Desde un punto de vista fundamental, creemos que este nuevo dispositivo representa un importante paso adelante", dijo, "una primera demostración de interferometría plasmónica con luz incoherente".
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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