Allo stesso modo in cui l’architettura di una galleria sussurrante piega e focalizza le onde sonore, i microrisonatori WGM confinano e concentrano la luce in un minuscolo percorso circolare. Ciò consente ai risonatori WGM di rilevare e quantificare le caratteristiche fisiche e biochimiche, rendendoli ideali per applicazioni di rilevamento ad alta risoluzione in campi quali la diagnostica biomedica e il monitoraggio ambientale.

Tuttavia, l'ampio utilizzo dei risonatori WGM è stato limitato dalla loro ristretta gamma dinamica nonché dalla loro risoluzione e precisione limitate.

In un recente studio pubblicato sulla rivista IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Lan Yang, professore di Edwin H. e Florence G. Skinner, e Jie Liao, ricercatore associato post-dottorato, entrambi presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e di sistema di Preston M. Green presso la McKelvey School of Engineering presso la Washington University di St. Louis , dimostrano un approccio trasformativo per superare queste limitazioni:codici a barre WGM ottici per il rilevamento multimodale.

La tecnica innovativa di Liao e Yang consente il monitoraggio simultaneo di più modalità di risonanza all'interno di un singolo risonatore WGM, considerando le risposte distintive di ciascuna modalità, ampliando notevolmente la gamma di misurazioni ottenibili.

Il rilevamento WGM utilizza una specifica lunghezza d'onda della luce che può circolare attorno al perimetro del microrisonatore milioni di volte. Quando il sensore incontra una molecola, la frequenza di risonanza della luce circolante cambia. I ricercatori possono quindi misurare tale spostamento per rilevare e identificare la presenza di molecole specifiche.

"Il rilevamento multimodale ci consente di rilevare più cambiamenti di risonanza nella lunghezza d'onda, anziché solo uno", ha spiegato Liao. "Con più modalità, possiamo espandere il rilevamento WGM ottico a una gamma più ampia di lunghezze d'onda, ottenere una maggiore risoluzione e precisione e, in definitiva, rilevare più particelle."

Liao e Yang hanno trovato il limite teorico del rilevamento del WGM e lo hanno utilizzato per stimare le capacità di rilevamento di un sistema multimodale. Hanno confrontato il rilevamento monomodale convenzionale con quello multimodale e hanno determinato che, mentre il rilevamento monomodale è limitato a un intervallo molto ristretto, circa 20 picometri (pm), limitato dall'hardware del laser, l'intervallo per il rilevamento multimodale è potenzialmente illimitato utilizzando la stessa configurazione.

"Più risonanza significa più informazioni", ha detto Liao. "Abbiamo ricavato un intervallo teoricamente infinito, anche se siamo praticamente limitati dall'apparato di rilevamento. In questo studio, il limite sperimentale che abbiamo riscontrato era circa 350 volte più ampio con il nuovo metodo rispetto al metodo convenzionale per il rilevamento WGM."

Le applicazioni commerciali del rilevamento WGM multimodale potrebbero includere usi biomedici, chimici e ambientali, ha affermato Yang. Nelle applicazioni biomediche, ad esempio, i ricercatori potrebbero rilevare sottili cambiamenti nelle interazioni molecolari con una sensibilità senza precedenti per migliorare la diagnosi delle malattie e la scoperta di farmaci.

Nel monitoraggio ambientale, con la capacità di rilevare cambiamenti minimi nei parametri ambientali come temperatura e pressione, il rilevamento multimodale potrebbe consentire sistemi di allarme tempestivo per i disastri naturali o facilitare il monitoraggio dei livelli di inquinamento nell'aria e nell'acqua.

Questa nuova tecnologia consente anche il monitoraggio continuo delle reazioni chimiche, come dimostrato nei recenti esperimenti condotti dal gruppo di Yang. Questa capacità è promettente per l'analisi e il controllo in tempo reale dei processi chimici, offrendo potenziali applicazioni in campi quali quello farmaceutico, della scienza dei materiali e dell'industria alimentare.

"L'altissima sensibilità dei risonatori WGM ci consente di rilevare singole particelle e ioni, ma il potenziale di questa potente tecnologia non è stato pienamente utilizzato perché non possiamo utilizzare questo sensore ultrasensibile direttamente per misurare un completo sconosciuto", ha aggiunto Liao.

"Il rilevamento multimodale consente di guardare verso l'ignoto. Espandendo la nostra gamma dinamica per osservare milioni di particelle, possiamo intraprendere progetti più ambiziosi e risolvere problemi del mondo reale."