I microlaser Whispering-gallery possono contare e misurare particelle sintetiche o biologiche su nanoscala. Come mostra questa illustrazione concettuale, una particella disturba la "modalità" laser di dividersi in due frequenze (mostrate qui come due colori diversi) e la divisione di frequenza funge da righello che consente di misurare la particella. L'inserto in alto a destra mostra una particella che atterra sul microlaser (un toro sostenuto da un piedistallo). Lina Lui, uno studente laureato in ingegneria elettrica e dei sistemi presso la Washington University di St. Louis, ei suoi collaboratori hanno dimostrato che i microlaser possono rilevare particelle di 10 nanometri di raggio. Il loro limite di risoluzione è di circa un nanometro. (J. ZHU, L. LUI, S.K.OZDEMIR, E L. YANG/WUSTL)
(PhysOrg.com) -- Un microlaser non più grande di una puntura di spillo può rilevare e contare con precisione i singoli virus, le particelle che innescano la formazione delle nuvole o quelle che contaminano l'aria che respiriamo.
Un minuscolo laser a forma di ciambella è l'ultima meraviglia della microminiaturizzazione del silicio, ma invece di manipolare i bit rileva particelle molto piccole. Le piccole particelle svolgono un ruolo importante, e in gran parte inosservato, nella nostra vita quotidiana. Le particelle di virus ci fanno ammalare, le particelle di sale innescano la formazione di nubi, e le particelle di fuliggine penetrano in profondità nei nostri polmoni e rendono più difficile respirare.
Il sensore appartiene a una categoria chiamata risuonatori a galleria di sussurri, che funzionano come la famosa galleria dei sussurri nella cattedrale di St. Paul a Londra, dove qualcuno da un lato della cupola può ascoltare un messaggio pronunciato al muro da qualcuno dall'altro lato. A differenza della cupola, che ha risonanze o punti dolci nella gamma udibile, il sensore risuona alle frequenze luminose.
La luce che viaggia intorno al microlaser è disturbata da una particella che atterra sull'anello, cambiando la frequenza della luce. L'anello può contare il touch-down di ben 800 nanoparticelle prima che i segnali inizino a perdersi nel rumore. Eccitando più di una modalità sul ring, gli scienziati possono ricontrollare l'accuratezza del conteggio. E cambiando il "guadagno medio, ” possono adattare il sensore per l'acqua piuttosto che per l'aria.
Lan Yang, dottorato di ricerca, assistente professore di ingegneria elettrica e dei sistemi presso la Washington University di St. Louis che guida il team che ha fabbricato il nuovo sensore, afferma che esiste già un vivo interesse per la sua commercializzazione in campi che vanno dalla biologia alla scienza dell'aerosol. Il sensore è descritto e caratterizzato nell'edizione online del 26 giugno di Nature Nanotechnology.
Il risonatore della galleria Whispering diventa microlaser
Un risonatore a galleria sussurrante supporta "modalità degenerate in frequenza" (modalità, o modelli di eccitazione sul ring, con la stessa frequenza, uno che viaggia in senso orario e l'altro in senso antiorario attorno all'anello.
I campi modali hanno "code evanescenti" che penetrano nella superficie dell'anello e sondano il mezzo circostante. Quando una particella atterra su uno dei "punti caldi" disperde energia da uno dei modi nell'altro, e le modalità adottano frequenze di risonanza leggermente diverse. Questo è indicato come suddivisione della modalità.
In un lavoro precedente, Il team di Yang ha utilizzato la suddivisione della modalità in un semplice anello di vetro che fungeva da guida d'onda per la luce accoppiata dall'esterno. Perché l'anello era passivo, il laser esterno doveva essere un laser sintonizzabile costoso in modo che potesse scansionare un intervallo di frequenza alla ricerca delle risonanze dell'anello per misurare la suddivisione della modalità. (Per ulteriori informazioni su questo sensore, vedere "Il sensore minuscolo misura le nanoparticelle".)
Il nuovo sensore differisce dai precedenti risonatori a galleria sussurrante in quanto è esso stesso un laser in miniatura piuttosto che la cavità risonante di un laser esterno.
Anche il nuovo sensore è di vetro, ma vetro intrecciato con atomi degli elementi delle terre rare che fungono da "mezzo di guadagno". l'anello inizia a lassare alla sua frequenza preferita.
Quando una particella atterra sul microlaser, una singola linea laser si divide in due frequenze leggermente diverse.
Un modo semplice per misurare la divisione di frequenza consiste nel mescolare le modalità laser divise in un fotorilevatore, che produce una "frequenza di battimento" che corrisponde alla differenza di frequenza.
Matrici di microlaser (a sinistra) sono ricavate da film di silice sol-gel su wafer di silicio mediante fotolitografia, incisione e passaggi di rifusione. Quando la luce viene accoppiata in un microlaser attraverso una fibra ottica sottilissima (a destra) atomi di terre rare (in questo caso erbio), eccitato dalla luce della pompa, iniziano a diventare fluorescenti (a destra). Poiché parte della luce penetra nel vetro, le modalità laser sono perturbate da particelle che atterrano sull'anello. (J. ZHU, L. LUI, S.K. OZDEMIR, E L. YANG/WUSTL)
“I minuscoli sensori sono prodotti in serie con il metodo sol-gel su wafer di silicio, ed è facile cambiare il mezzo di guadagno” dice Lina He, uno studente laureato e primo autore del documento. "I risonatori sono realizzati mescolando gli ioni di terre rare di scelta in una soluzione di tetraetossisilano, acqua e acido cloridrico. La soluzione viene riscaldata fino a quando non diventa viscosa e quindi rivestita per rotazione su un wafer di silicio e ricotta per rimuovere i solventi e completare la transizione al vetro amorfo. La sottile pellicola di vetro viene poi incisa per creare dischi di silice supportati sotto da pilastri di silicio. Come passo finale, i dischi di silice grezzi vengono rifluiti in toroidi lisci mediante ricottura laser."
Il sensore attivo supera quello passivo
“La luce utilizzata per il rilevamento è generata all'interno del risonatore stesso, e quindi è più pura della luce nel sensore passivo, ” dice Yang “Quando la luce non è così pura, potresti non essere in grado di vedere piccoli cambiamenti di frequenza. Ma il sensore attivo colpisce una frequenza - ha una larghezza di linea molto stretta - e quindi è molto più sensibile".
Il microlaser è ordini di grandezza più sensibile del risonatore passivo, lei dice. Il suo limite di risoluzione effettiva è di circa un nanometro. Un nanometro sta a un metro, che marmo è per la Terra.
Inoltre, perché il laser è ora nell'anello anziché accoppiato ad esso, l'intero sistema è più semplice e autonomo. “Ora hai solo bisogno di una fonte di luce per eccitare il mezzo ottico, "dice Yang, "e puoi usare un diodo laser economico per quello invece di un costoso laser sintonizzabile."
Rilevamento di molte particelle
L'effetto di una particella su una modalità laser dipende dalla "polarizzabilità, ” che è una funzione delle sue dimensioni e dell'indice di rifrazione. Per coprire le possibilità, il team della Washington University ha testato le prestazioni del micro-laser con nanoparticelle di varie dimensioni realizzate con vari materiali, compreso il polistirolo (per l'imballaggio delle arachidi), virioni (particelle virali) e oro.
Quando le particelle entrano una alla volta nel "volume di modalità" del micro-laser, gli scienziati possono vedere un discreto salto verso l'alto o verso il basso nella frequenza del battito. Ogni salto discreto segnala il legame di una particella sull'anello, e il numero dei salti riflette il numero di particelle.
Poiché il "campo risonatore" intrappola le particelle sul risonatore, una volta atterrato, raramente scendono. Ma il team ha scoperto di essere in grado di contare molte particelle prima che le perdite indotte dalle particelle rendessero le larghezze di riga del laser così ampie da non poter rilevare i cambiamenti nella divisione di frequenza dovuti all'ultimo arrivo.
Per esempio, sono stati in grado di rilevare e contare fino a 816 nanoparticelle d'oro utilizzando la stessa modalità laser.
“Quando l'allargamento della linea è paragonabile al cambio di scissione, allora hai finito, "dice Yang. “Tuttavia, l'intero risonatore è fabbricato sul chip, quindi puoi semplicemente passare al risonatore successivo, se necessario.
Raddoppiare per la precisione
Il micro-laser può supportare più di una modalità laser alla volta. “Controllando la sovrapposizione della luce della pompa con il mezzo di guadagno, puoi eccitare più di una linea laser, "dice Sahin Kaya Ozdemir, dottorato di ricerca, un ricercatore associato e co-autore. “Poi, quando una particella atterra sull'anello, ogni linea laser si dividerà in due, e generare una frequenza di battimento. Quindi avrai due frequenze di battimento invece di una".
Questo è un vantaggio, lui spiega, perché la frequenza del battito dipende in parte da dove la particella atterra sull'anello. Se c'è solo una linea laser e la particella cade tra "punti caldi" potrebbe non essere rilevata. La seconda frequenza di battimento previene questi “falsi negativi, ” assicurando che ogni particella produca una frequenza di battito rilevabile.
Rilevamento di particelle nell'acqua
I microlaser destinati a rilevare le particelle nell'aria erano stati drogati con erbio, un elemento delle terre rare le cui proprietà ottiche sono ben abbinate a quelle dell'aria. In un esperimento finale progettato per vedere se questa tecnica potesse essere utilizzata per rilevare particelle nell'acqua o nel sangue, il team ha fabbricato sensori drogati con itterbio anziché con erbio. Itterbio laser a lunghezze d'onda con basso assorbimento da parte dell'acqua.
Il team di Yang ha già iniziato a lavorare per sfruttare la maggiore sensibilità fornita dal microlaser per studiare vari problemi. In termini di applicazioni, “l'uso a breve termine sarà il monitoraggio dei comportamenti dinamici delle particelle in risposta ai cambiamenti ambientali e chimici alla risoluzione di una singola particella, "dice Yang.
Il prossimo passo, il team vede è di progettare la superficie di questi minuscoli microlaser per rilevare il DNA e le singole molecole biologiche. Se il DNA è etichettato con nanoparticelle ingegnerizzate, il sensore micro-laser può contare singole molecole di DNA o frammenti di molecole.
Ascoltando Yang è difficile sfuggire all'impressione di sentire per la prima volta di un dispositivo sorprendente che un giorno sarà onnipresente - e probabilmente così sottovalutato - come le porte logiche nelle nostre microonde, cellulari e automobili.
