Imagínese 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 una sola gota. Esa es la promesa de la interferometría plasmónica a nanoescala, una técnica que combina la nanotecnología con la plasmónica:la interacción entre los electrones de un metal y la luz.

Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown han logrado un importante avance fundamental que podría hacer que estos 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 una luz coherente. que normalmente requiere la técnica. El avance podría permitir dispositivos más versátiles y compactos.

"Siempre se ha asumido que la luz coherente era necesaria para la interferometría plasmónica, "dijo Domenico Pacifici, un profesor de ingeniería que supervisó el trabajo con su investigador postdoctoral Dongfang Li, y el estudiante de posgrado Jing Feng. "Pero pudimos refutar 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 de superficie, ondas de densidad creadas cuando la energía de la luz hace vibrar los electrones libres en un metal. Un tipo de interferómetro parece una estructura en forma de diana grabada en una fina capa de metal. En el centro hay un agujero perforado a través de 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. Miles de estas diana 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 pasan por el orificio central, mientras que otros están esparcidos por los surcos. Esos fotones dispersos generan plasmones de superficie que se propagan a través del metal hacia el interior del agujero, donde interactúan con los fotones que pasan a través del agujero. Eso crea un patrón de interferencia en la luz emitida por el agujero, que puede ser registrado por un detector debajo de la superficie del metal.

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 según la composición química del líquido o los compuestos presentes en él. Al usar diferentes tamaños de anillos de ranura alrededor del orificio, los interferómetros se pueden ajustar para detectar la firma de compuestos o moléculas específicos. Con la capacidad de colocar muchos interferómetros sintonizados de manera diferente en un chip, los ingenieros pueden hipotéticamente hacer 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 viajar en fase (lo que significa que los picos y valles de las ondas están alineados). Sin fuentes de luz coherentes, los interferómetros no pueden producir patrones de interferencia utilizables. Ese tipo de fuentes de luz, sin embargo, tienden a ser voluminosos, costoso, y requieren una alineación cuidadosa y una recalibración periódica para obtener una respuesta óptica confiable.

Pero Pacifici y su grupo han ideado una forma de eliminar la necesidad de una luz externa coherente. En el nuevo método, Los átomos emisores de luz fluorescente están integrados directamente dentro del pequeño orificio en el centro del interferómetro. Todavía es necesaria una fuente de luz externa para excitar los emisores internos, pero no tiene por qué ser una fuente coherente especializada.

"Este es un concepto completamente nuevo para la interferometría óptica, "Pacifici dijo, "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 agujero, rebotar en los anillos de ranura, y propagarse hacia el agujero posterior. Una vez que un plasmón se propaga de nuevo, 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, caminos alternativos que se originan en el mismo emisor, el proceso es naturalmente coherente y, por tanto, pueden producirse interferencias aunque los emisores se exciten de forma incoherente.

"Lo importante aquí es que se trata de un proceso de autointerferencia, "Dijo Pacifici." No importa que estés usando luz incoherente para excitar a los emisores, todavía 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, sondean la muestra en la parte superior de la superficie del interferómetro dos veces. Eso hace que el dispositivo sea más sensible.

Pero esa no es la única ventaja. En el nuevo dispositivo, La luz externa se puede proyectar 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 facilitar la integración en dispositivos compactos.

Los emisores de luz integrados también eliminan la necesidad de controlar la cantidad de líquido de muestra depositada en la superficie del interferómetro. Las gotas grandes de líquido pueden causar efectos de lente, una curvatura de la luz que puede alterar los resultados del interferómetro. La mayoría de los sensores plasmónicos utilizan pequeños canales de microfluidos para entregar una fina película de líquido para evitar problemas de lentes. Pero con 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, como es la necesidad de microfluidos.

Finalmente, los emisores internos producen una luz de baja intensidad. Eso es bueno para sondear muestras delicadas, como las proteínas, que puede dañarse con la luz de alta intensidad.

Se requiere más trabajo para sacar el sistema del laboratorio y llevarlo a los dispositivos, y Pacifici y su equipo planean seguir perfeccionando la idea. El siguiente paso será intentar eliminar por completo la fuente de luz externa. Podría ser posible los investigadores dicen, para eventualmente excitar los emisores internos usando pequeñas líneas de fibra óptica, o quizás corriente eléctrica.

Todavía, 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, " él dijo, "una primera demostración de interferometría plasmónica con luz incoherente".