De la misma manera que la arquitectura de una galería susurrante curva y enfoca las ondas sonoras, los microresonadores WGM confinan y concentran la luz en una pequeña trayectoria circular. Esto permite a los resonadores WGM detectar y cuantificar características físicas y bioquímicas, lo que los hace ideales para aplicaciones de detección de alta resolución en campos como el diagnóstico biomédico y el monitoreo ambiental.

Sin embargo, el uso generalizado de los resonadores WGM se ha visto limitado por su estrecho rango dinámico, así como por su resolución y precisión limitadas.

En un estudio reciente publicado en la revista IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Lan Yang, profesor Edwin H. y Florence G. Skinner, y Jie Liao, investigadora asociada postdoctoral, ambos en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de Preston M. Green en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis. , demuestran un enfoque transformador para superar estas limitaciones:códigos de barras ópticos WGM para detección multimodo.

La técnica innovadora de Liao y Yang permite el monitoreo simultáneo de múltiples modos resonantes dentro de un solo resonador WGM, considerando respuestas distintivas de cada modo, ampliando enormemente el rango de mediciones alcanzables.

La detección WGM utiliza una longitud de onda de luz específica que puede circular alrededor del perímetro del microresonador millones de veces. Cuando el sensor encuentra una molécula, la frecuencia de resonancia de la luz circulante cambia. Luego, los investigadores pueden medir ese cambio para detectar e identificar la presencia de moléculas específicas.

"La detección multimodo nos permite captar múltiples cambios de resonancia en la longitud de onda, en lugar de solo uno", explicó Liao. "Con múltiples modos, podemos ampliar la detección óptica WGM a una mayor gama de longitudes de onda, lograr mayor resolución y precisión y, en última instancia, detectar más partículas".

Liao y Yang encontraron el límite teórico de la detección de WGM y lo utilizaron para estimar las capacidades de detección de un sistema multimodo. Compararon la detección monomodo convencional con la detección multimodo y determinaron que, si bien la detección monomodo está limitada a un rango muy estrecho (alrededor de 20 picómetros (pm), limitado por el hardware del láser), el alcance de la detección multimodo es potencialmente ilimitado usando la misma configuración.

"Más resonancia significa más información", dijo Liao. "Hemos obtenido un rango teóricamente infinito, aunque estamos prácticamente limitados por el aparato de detección. En este estudio, el límite experimental que encontramos fue aproximadamente 350 veces mayor con el nuevo método que con el método convencional para la detección de WGM".

Las aplicaciones comerciales de la detección WGM multimodo podrían incluir usos biomédicos, químicos y ambientales, dijo Yang. En aplicaciones biomédicas, por ejemplo, los investigadores podrían detectar cambios sutiles en las interacciones moleculares con una sensibilidad sin precedentes para mejorar el diagnóstico de enfermedades y el descubrimiento de fármacos.

En el monitoreo ambiental, con la capacidad de detectar cambios mínimos en parámetros ambientales como la temperatura y la presión, la detección multimodo podría habilitar sistemas de alerta temprana para desastres naturales o facilitar el monitoreo de los niveles de contaminación en el aire y el agua.

Esta nueva tecnología también permite un seguimiento continuo de las reacciones químicas, como lo demuestran los recientes experimentos realizados por el grupo de Yang. Esta capacidad es prometedora para el análisis y control de procesos químicos en tiempo real y ofrece aplicaciones potenciales en campos como el farmacéutico, la ciencia de materiales y la industria alimentaria.

"La sensibilidad ultraalta de los resonadores WGM nos permite detectar partículas e iones individuales, pero el potencial de esta poderosa tecnología no se ha utilizado completamente porque no podemos usar este sensor ultrasensible directamente para medir algo completamente desconocido", añadió Liao.

"La detección multimodo permite mirar hacia lo desconocido. Al ampliar nuestro rango dinámico para observar millones de partículas, podemos emprender proyectos más ambiciosos y resolver problemas del mundo real".