Disegno schematico dei sensori di microcavità su chip. La luce del probelaser è accoppiata alla microcavità di whisperinggallery tramite un cono in fibra. I modi della cavità possono essere caratterizzati dallo spettro di trasmissione, mostrato come un calo di risonanza. Quando una singola nanoparticella si lega alla superficie della microcavità, la variazione di larghezza di linea della cavità e il cambio di modalità vengono misurati contemporaneamente, che rappresenta il metodo di rilevamento dissipativo e reattivo, rispettivamente.
Il rilevamento ultrasensibile di particelle su scala nanometrica ha applicazioni in campi importanti che vanno dal monitoraggio ambientale all'analisi delle strutture virali. Però, rimane estremamente difficile a causa della polarizzabilità ultrabassa di piccole dimensioni, particelle a basso indice. Un team guidato dal professor Xiao Yun-Feng dell'Università di Pechino, ha collaborato con la Yonsei University of Republic of Korea, dimostrato sperimentalmente che l'interazione dissipativa in una microcavità ottica ad alto Q consente il rilevamento di singole nanoparticelle. Questo lavoro è stato pubblicato in un recente numero di Revisione fisica applicata .
Negli ultimi anni, le microcavità ottiche ad alto Q hanno mostrato un grande potenziale nelle applicazioni di rilevamento a causa dell'interazione luce-materia fortemente migliorata al loro interno. Il meccanismo di rilevamento convenzionale, però, deve fare affidamento sull'interazione reattiva. Il rilevamento reattivo è limitato dalla polarizzabilità della particella, e fallirà quando la parte reale della polarizzabilità si avvicina a zero. Nella pubblicazione, gli autori hanno sottolineato che l'interazione dissipativa apre un canale del decadimento della modalità della cavità e determina la variazione della larghezza della riga di risonanza, che costituisce uno schema di rilevamento efficace anche quando la parte reale della polarizzabilità dell'analita si avvicina allo zero, perché l'ampiezza del segnale è determinata dalla perdita di assorbimento e dalla dispersione laterale della particella.
Nell'esperimento, il rilevamento di singole nanotubi d'oro viene utilizzato per valutare le prestazioni di rilevamento. variando la lunghezza d'onda della sonda. L'altro è che la risonanza plasmonica superficiale della particella di questa dimensione coincide con una delle nostre lunghezze d'onda della sonda nell'esperimento, in cui la parte reale della polarizzabilità diventa zero, molto probabilmente invalidando il metodo di rilevamento reattivo, ma rafforzando quello dissipativo, " ha detto il dottor YanyanZhi, ricercatore post-dottorato e uno dei primi coautori di questo lavoro.
I ricercatori hanno esaminato sperimentalmente i metodi di rilevamento sia reattivo che dissipativo monitorando il cambio di modalità e il cambiamento di larghezza di riga della risonanza della cavità ad alto Q, rispettivamente. Hanno scoperto che il segnale di rilevamento reattivo non può essere individuato dai rumori quando la lunghezza d'onda della sonda è in risonanza plasmonica dove la polarizzabilità del nanorod si avvicina allo zero; il metodo di rilevamento dissipativo proposto funziona ancora bene, che è coerente con le previsioni teoriche. Il limite di rilevamento previsto può raggiungere 13 nm × 5 nm, che è circa 12 volte più piccolo in volume di quello che può essere rilevato con il metodo di rilevamento reattivo.
Questo metodo di rilevamento dissipativo non solo fornisce un nuovo meccanismo fisico di rilevamento della microcavità, ma rappresenta anche un passo significativo verso sensori ottici pratici nei settori della chimica analitica, scienza ambientale, e biologia molecolare.
"In pratica, è pronto che sia il cambio di modalità che il cambio di larghezza di linea della modalità cavità possono essere misurati contemporaneamente, e quindi i metodi di rilevamento reattivi comuni e dissipativi proposti sono compatibili tra loro, " ha detto il prof. Xiao, "La combinazione di questi due metodi di rilevamento aggiunge nuove dimensioni a ciò che può essere misurato utilizzando ciascuno dei due metodi da solo. Il metodo di rilevamento dissipativo che utilizza una microcavità ad alto Q offre un'ottima piattaforma per il rilevamento di minuscole particelle singole, come virus vitale, particelle nell'aria inquinata, particelle con perdita nel processo di fabbricazione, e altre nanoparticelle di interesse."
