Los microláseres de galería susurrante pueden contar y medir partículas sintéticas o biológicas a nanoescala. Como muestra esta ilustración conceptual, una partícula perturba el "modo" láser para dividirse en dos frecuencias (mostradas aquí como dos colores diferentes) y la división de frecuencia actúa como una regla que permite medir la partícula. El recuadro en la parte superior derecha muestra una partícula que aterriza en el microláser (un toro sostenido por un pedestal). Lina He, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y de sistemas en la Universidad de Washington en St. Louis, y sus compañeros de trabajo demostraron que los microláseres pueden detectar partículas de 10 nanómetros de radio. Su límite de resolución es de aproximadamente un nanómetro. (J. ZHU, L. HE, S. K. OZDEMIR, Y L. YANG / WUSTL)
(PhysOrg.com) - Un microláser no más grande que un pinchazo puede detectar y contar virus individuales con precisión, las partículas que impulsan la formación de nubes o las que contaminan el aire que respiramos.
Un diminuto láser en forma de rosquilla es la última maravilla de la microminiaturización de silicio, pero en lugar de manipular bits, detecta partículas muy pequeñas. Las partículas pequeñas juegan un papel importante, y en gran medida inadvertido, en nuestra vida cotidiana. Las partículas de virus nos enferman las partículas de sal desencadenan la formación de nubes, y las partículas de hollín penetran profundamente en nuestros pulmones y dificultan la respiración.
El sensor pertenece a una categoría llamada resonadores de galería susurrantes, que funcionan como la famosa galería de susurros en la Catedral de St. Paul en Londres, donde alguien en un lado de la cúpula puede escuchar un mensaje dicho a la pared por alguien del otro lado. A diferencia de la cúpula, que tiene resonancias o puntos dulces en el rango audible, el sensor resuena a frecuencias de luz.
La luz que viaja alrededor del micro-láser es perturbada por una partícula que aterriza en el anillo, cambiando la frecuencia de la luz. El anillo puede contar el aterrizaje de hasta 800 nanopartículas antes de que las señales comiencen a perderse en el ruido. Al excitar más de un modo en el ring, los científicos pueden verificar la precisión del recuento. Y al cambiar el "medio de ganancia, ”Pueden adaptar el sensor para agua en lugar de aire.
Lan Yang, Doctor, profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas en la Universidad de Washington en St. Louis, quien lidera el equipo que fabricó el nuevo sensor, dice que ya existe un vivo interés en su comercialización en campos que van desde la biología hasta la ciencia de los aerosoles. El sensor se describe y caracteriza en la edición en línea del 26 de junio de Nature Nanotechnology.
El resonador de la galería susurrante se convierte en microláser
Un resonador de galería susurrante admite "modos degenerados en frecuencia" (modos, o patrones de excitación en el ring, con la misma frecuencia, uno viajando en el sentido de las agujas del reloj y el otro en el sentido contrario a las agujas del reloj alrededor del anillo.
Los campos modales tienen "colas evanescentes" que penetran la superficie del anillo y sondean el medio circundante. Cuando una partícula aterriza en uno de los "puntos calientes", dispersa energía de uno de los modos al otro, y los modos adoptan frecuencias de resonancia ligeramente diferentes. Esto se conoce como división de modo.
En un trabajo anterior, El equipo de Yang usó la división de modos en un simple anillo de vidrio que funcionaba como una guía de ondas para la luz acoplada a él desde el exterior. Porque el anillo era pasivo, el láser externo tenía que ser un láser sintonizable caro para poder escanear un rango de frecuencia en busca de las resonancias del anillo para medir la división del modo. (Para obtener más información sobre este sensor, consulte "Un pequeño sensor mide las nanopartículas").
El nuevo sensor se diferencia de los resonadores de galería susurrantes anteriores en que es en sí mismo un láser en miniatura en lugar de la cavidad resonante de un láser externo.
El nuevo sensor también es de vidrio, pero vidrio mezclado con átomos de los elementos de tierras raras que sirven como un "medio de ganancia". El vidrio está dopado con átomos de tierras raras y cuando una fuente de luz externa impulsa una cantidad suficiente de ellos a un estado excitado, el anillo comienza a emitir láser a su propia frecuencia preferida.
Cuando una partícula aterriza en el microláser, una sola línea láser se divide en dos frecuencias ligeramente diferentes.
Una forma sencilla de medir la división de frecuencia es mezclar los modos de láser dividido en un fotodetector, que produce una "frecuencia de batido" que corresponde a la diferencia de frecuencia.
Las matrices de microláseres (izquierda) se tallan a partir de películas de sílice sol-gel sobre obleas de silicio mediante fotolitografía, pasos de grabado y reflujo. Cuando la luz se acopla a un microláser a través de una fibra óptica delgada como un bigote (derecha) átomos de tierras raras (en este caso, erbio), excitado por la luz de la bomba, comienzan a emitir fluorescencia (derecha). Debido a que parte de la luz penetra en el vidrio, los modos láser son perturbados por partículas que aterrizan en el anillo. (J. ZHU, L. HE, S.K. OZDEMIR, Y L. YANG / WUSTL)
"Los diminutos sensores se producen en masa mediante el método sol-gel en una oblea de silicio, y es fácil cambiar el medio de ganancia ”, dice Lina He, estudiante de posgrado y primer autor del artículo. "Los resonadores se fabrican mezclando los iones de tierras raras de elección en una solución de tetraetoxisilano, agua y ácido clorhídrico. La solución se calienta hasta que se vuelve viscosa y luego se reviste por rotación sobre una oblea de silicio y se templa para eliminar los disolventes y completar la transición al vidrio amorfo. La fina película de vidrio se graba para crear discos de sílice soportados por debajo por pilares de silicona. Como paso final, los discos de sílice en bruto se refluyen en toroides lisos mediante recocido con láser ".
El sensor activo supera al pasivo
“La luz utilizada para la detección se genera dentro del propio resonador, y por eso es más pura que la luz en el sensor pasivo, "Dice Yang" Cuando la luz no es tan pura, es posible que no pueda ver pequeños cambios de frecuencia. Pero el sensor activo alcanza una frecuencia, tiene un ancho de línea realmente estrecho, por lo que es mucho más sensible ".
El microláser es órdenes de magnitud más sensible que el resonador pasivo, ella dice. Su límite de resolución efectiva es de aproximadamente un nanómetro. Un nanómetro equivale a un metro, lo que es una canica para la Tierra.
Es más, porque el láser ahora está en el anillo en lugar de acoplado a él, todo el sistema es más simple y autónomo. "Ahora solo necesita una fuente de luz para excitar el medio óptico, "Dice Yang, "Y puede usar un diodo láser barato para eso en lugar de un costoso láser sintonizable".
Detectando muchas partículas
El efecto de una partícula en un modo láser depende de la "polarizabilidad, ”Que es una función de su tamaño e índice de refracción. Para cubrir las posibilidades, el equipo de la Universidad de Washington probó el rendimiento del micro-láser con nanopartículas de varios tamaños hechas de varios materiales, incluido el poliestireno (cacahuetes de embalaje), viriones (partículas de virus) y oro.
A medida que las partículas ingresan al "volumen de modo" del micro-láser una por una, los científicos pueden ver un salto discreto hacia arriba o hacia abajo en la frecuencia del latido. Cada salto discreto señala la unión de una partícula en el anillo, y el número de saltos refleja el número de partículas.
Debido a que el "campo del resonador" atrapa las partículas en el resonador, una vez aterrizado, rara vez se caen. Pero el equipo descubrió que podían contar muchas partículas antes de que las pérdidas inducidas por las partículas hicieran que los anchos de línea del láser fueran tan amplios que no pudieran detectar cambios en la división de frecuencia debido a la última llegada.
Por ejemplo, pudieron detectar y contar hasta 816 nanopartículas de oro utilizando el mismo modo láser.
"Cuando el ensanchamiento de la línea es comparable al cambio en la división, entonces has terminado, ”Dice Yang. sin embargo, todo el resonador se fabrica en el chip, por lo que podría pasar al siguiente resonador si es necesario ".
Duplicando la precisión
El micro-láser puede admitir más de un modo láser a la vez. "Al controlar la superposición de la luz de la bomba con el medio de ganancia, puede excitar más de una línea láser, "Dice Sahin Kaya Ozdemir, Doctor, un investigador asociado y coautor. "Entonces, cuando una partícula aterriza en el anillo, cada línea láser se dividirá en dos, y generar una frecuencia de batido. Entonces tendrás dos frecuencias de tiempo en lugar de una ".
Eso es una ventaja el explica, porque la frecuencia del latido depende en parte de dónde aterriza la partícula en el anillo. Si solo hay una línea láser y la partícula cae entre "puntos calientes", es posible que no se detecte. La segunda frecuencia de latido evita estos "falsos negativos, ”Asegurando que cada partícula produzca una frecuencia de latido detectable.
Detectando partículas en el agua
Los microláseres destinados a detectar partículas en el aire se habían dopado con erbio, un elemento de tierras raras cuyas propiedades ópticas están bien emparejadas con las del aire. En un experimento final diseñado para ver si esta técnica podría usarse para detectar partículas en agua o sangre, el equipo fabricó sensores que estaban dopados con iterbio en lugar de erbio. El iterbio tiene una longitud de onda de baja absorción por el agua.
El equipo de Yang ya ha comenzado a trabajar para hacer uso de la sensibilidad mejorada proporcionada por el microláser para estudiar varios problemas. En términos de aplicaciones, “El uso a corto plazo será el monitoreo de los comportamientos dinámicos de las partículas en respuesta a cambios ambientales y químicos con una resolución de partículas individuales, ”Dice Yang.
El siguiente paso, el equipo que ve es diseñar la superficie de estos diminutos microláseres para detectar ADN y moléculas biológicas individuales. Si el ADN está marcado con nanopartículas diseñadas, el sensor de micro-láser puede contar moléculas de ADN individuales o fragmentos de moléculas.
Al escuchar a Yang, es difícil escapar de la impresión de que estás escuchando por primera vez acerca de un dispositivo asombroso que algún día será tan ubicuo, y probablemente tan subestimado, como las puertas lógicas de nuestras microondas, celulares y autos.
