Immagina un sensore ambientale portatile in grado di testare istantaneamente l'acqua per il piombo, E. coli, e pesticidi allo stesso tempo, o un biosensore in grado di eseguire un esame completo del sangue con una sola goccia. Questa è la promessa dell'interferometria plasmonica su scala nanometrica, una tecnica che combina la nanotecnologia con la plasmonica, l'interazione tra gli elettroni in un metallo e la luce.

Ora i ricercatori della School of Engineering della Brown University hanno compiuto un importante progresso fondamentale che potrebbe rendere questi dispositivi più pratici. Il team di ricerca ha sviluppato una tecnica che elimina la necessità di sorgenti luminose esterne altamente specializzate che forniscano luce coerente, che la tecnica normalmente richiede. L'anticipo potrebbe consentire dispositivi più versatili e più compatti.

"Si è sempre pensato che la luce coerente fosse necessaria per l'interferometria plasmonica, " disse Domenico Pacifici, un professore di ingegneria che ha supervisionato il lavoro con il suo ricercatore post-dottorato Dongfang Li, e lo studente laureato Jing Feng. "Ma siamo stati in grado di smentire questa ipotesi".

La ricerca è descritta in Nature Rapporti scientifici .

Gli interferometri plasmonici sfruttano l'interazione tra la luce e i polaritoni plasmonici di superficie, onde di densità create quando l'energia luminosa scuote gli elettroni liberi in un metallo. Un tipo di interferometro sembra una struttura a occhio di bue incisa su un sottile strato di metallo. Al centro c'è un foro praticato attraverso lo strato di metallo con un diametro di circa 300 nanometri, circa 1, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano. Il foro è circondato da una serie di scanalature incise, con diametri di pochi micrometri. Migliaia di questi occhi di bue possono essere posizionati su un chip delle dimensioni di un'unghia.

Quando la luce proveniente da una sorgente esterna viene mostrata sulla superficie di un interferometro, alcuni dei fotoni passano attraverso il foro centrale, mentre altri sono sparsi dai solchi. Quei fotoni sparsi generano plasmoni di superficie che si propagano attraverso il metallo verso l'interno verso il foro, dove interagiscono con i fotoni che passano attraverso il foro. Ciò crea uno schema di interferenza nella luce emessa dal foro, che può essere registrato da un rilevatore sotto la superficie metallica.

Quando un liquido si deposita sopra un interferometro, la luce ei plasmoni di superficie si propagano attraverso quel liquido prima di interferire l'uno con l'altro. Ciò altera i modelli di interferenza rilevati dal rilevatore a seconda della composizione chimica del liquido o dei composti presenti in esso. Utilizzando diverse dimensioni di anelli scanalati attorno al foro, gli interferometri possono essere sintonizzati per rilevare la firma di composti o molecole specifici. Con la possibilità di mettere molti interferometri sintonizzati in modo diverso su un chip, gli ingegneri possono ipoteticamente realizzare un rivelatore versatile.

Fino ad ora, tutti gli interferometri plasmonici hanno richiesto l'uso di sorgenti luminose esterne altamente specializzate in grado di fornire fasci di luce coerenti in cui le onde luminose sono parallele, hanno la stessa lunghezza d'onda, e viaggiano in fase (il che significa che i picchi e le valli delle onde sono allineati). Senza sorgenti luminose coerenti, gli interferometri non possono produrre modelli di interferenza utilizzabili. Quel tipo di sorgenti luminose, però, tendono ad essere ingombranti, caro, e richiedono un allineamento accurato e una ricalibrazione periodica per ottenere una risposta ottica affidabile.

Ma Pacifici e il suo gruppo hanno trovato un modo per eliminare la necessità di una luce esterna coerente. Nel nuovo metodo, atomi che emettono luce fluorescente sono integrati direttamente all'interno del minuscolo foro al centro dell'interferometro. È comunque necessaria una sorgente luminosa esterna per eccitare gli emettitori interni, ma non è necessario che sia una fonte coerente specializzata.

"Questo è un concetto completamente nuovo per l'interferometria ottica, " Pacifici ha detto, "un dispositivo completamente nuovo".

In questo nuovo dispositivo, la luce incoerente mostrata sull'interferometro fa sì che gli atomi fluorescenti all'interno del foro centrale generino plasmoni di superficie. Quei plasmoni si propagano verso l'esterno dal foro, rimbalza sugli anelli della scanalatura, e propagarsi di nuovo verso il foro dopo. Una volta che un plasmone si propaga indietro, interagisce con l'atomo che lo ha rilasciato, provocando un'interferenza con il fotone trasmesso direttamente. Poiché l'emissione di un fotone e la generazione di un plasmone sono indistinguibili, percorsi alternativi provenienti dallo stesso emettitore, il processo è naturalmente coerente e quindi possono verificarsi interferenze anche se gli emettitori sono eccitati in modo incoerente.

"La cosa importante qui è che questo è un processo di auto-interferenza, " ha detto Pacifici. "Non importa che tu stia usando una luce incoerente per eccitare gli emettitori, hai ancora un processo coerente."

Oltre ad eliminare la necessità di sorgenti luminose esterne specializzate, l'approccio ha diversi vantaggi, ha detto Pacifici. Poiché i plasmoni di superficie viaggiano fuori dal buco e tornano indietro, sondano due volte il campione sopra la superficie dell'interferometro. Ciò rende il dispositivo più sensibile.

Ma non è l'unico vantaggio. Nel nuovo dispositivo, la luce esterna può essere proiettata da sotto la superficie metallica contenente gli interferometri anziché dall'alto. Ciò elimina la necessità di complesse architetture di illuminazione sulla superficie di rilevamento, che potrebbe facilitare l'integrazione in dispositivi compatti.

Gli emettitori di luce incorporati eliminano anche la necessità di controllare la quantità di liquido campione depositato sulla superficie dell'interferometro. Grandi goccioline di liquido possono causare effetti di lente, una flessione della luce che può confondere i risultati dell'interferometro. La maggior parte dei sensori plasmonici utilizza minuscoli canali microfluidici per fornire un sottile film di liquido per evitare problemi di lente. Ma con emettitori di luce interni eccitati dalla superficie inferiore, la luce esterna non entra mai in contatto con il campione, quindi gli effetti della lente sono annullati, così come la necessità di microfluidica.

Finalmente, gli emettitori interni producono una luce a bassa intensità. Va bene per sondare campioni delicati, come proteine, che può essere danneggiato dalla luce ad alta intensità.

È necessario più lavoro per portare il sistema fuori dal laboratorio e nei dispositivi, e Pacifici e il suo team intendono continuare a perfezionare l'idea. Il prossimo passo sarà provare a eliminare del tutto la fonte di luce esterna. Potrebbe essere possibile, dicono i ricercatori, per eccitare eventualmente gli emettitori interni utilizzando minuscole linee in fibra ottica, o forse corrente elettrica.

Ancora, questo primo proof-of-concept è promettente, ha detto Pacifici.

"Da un punto di vista fondamentale, riteniamo che questo nuovo dispositivo rappresenti un significativo passo avanti, " Egli ha detto, "una prima dimostrazione di interferometria plasmonica con luce incoerente".