I ricercatori dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato un nuovo design per un compatto, nanosensore ultrasensibile che può essere utilizzato per realizzare dispositivi portatili per il monitoraggio della salute e per rilevare minuscole quantità di tossine ed esplosivi per applicazioni di sicurezza.

Lo studio affronta una delle principali sfide della progettazione dei nanosensori:come aumentare la sensibilità riducendo le dimensioni.

Il design del nanosensore presentato in questo studio combina nanoparticelle plasmoniche tridimensionali con singolarità chiamate punti eccezionali, una combinazione che viene dimostrata per la prima volta. "La nuova fisica implementata qui potrebbe potenzialmente superare le tecnologie plasmoniche attualmente in uso per il rilevamento, " disse Boubacar Kanté, professore di ingegneria elettrica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering e autore senior dello studio. Kanté e il suo team hanno pubblicato il loro nuovo design l'8 novembre online nella sezione comunicazione rapida della rivista Revisione fisica B .

singolarità, come punti eccezionali, sono fondamentali in fisica per la loro straordinaria capacità di indurre una grande risposta da una piccola eccitazione, ha spiegato Kanté. Le singolarità si verificano quando una quantità è indefinita o infinita, come la densità al centro del buco nero, Per esempio. I punti eccezionali si verificano quando due onde degenerano, il che significa che sia le loro frequenze di risonanza che la struttura spaziale si fondono in una.

"I punti eccezionali sono stati molto ricercati per i sensori e per le interazioni luce-materia potenziate, " ha detto Ashok Kodigala, uno studente di dottorato nel laboratorio di Kanté e primo autore dello studio. "La possibilità di dimostrare punti eccezionali in sistemi che sono contemporaneamente sub-lunghezza d'onda e compatibili con piccole molecole biologiche per il rilevamento è rimasta sfuggente, fino ad ora".

I nanosensori funzionano in base a un fenomeno chiamato divisione di frequenza, il che significa che la presenza di una sostanza perturba la degenerazione tra due frequenze di risonanza e provoca una scissione rilevabile. In un eccezionale nanosensore basato su punti, le frequenze risonanti si dividerebbero molto più velocemente di quanto non facciano nei tradizionali nanosensori, dando luogo a capacità di rilevamento avanzate.

Combinando punti eccezionali e plasmonica, i ricercatori hanno formulato un progetto per un nanosensore compatto e ultrasensibile.

"Ritenevamo che la progettazione di un tale nanosensore richiedesse non solo un graduale miglioramento dei dispositivi esistenti, ma una svolta concettuale. Ecco perché abbiamo scelto di concentrarci su nanosensori basati su punti eccezionali, " ha detto Kodigala.

In questo studio, i ricercatori hanno proposto quella che Kodigala chiama "una ricetta generale per ottenere punti eccezionali su richiesta". Il metodo prevede il controllo dell'interazione tra modalità compatibili con la simmetria del sistema plasmonico.

Finora il design del nanosensore è stato dimostrato solo dal punto di vista computazionale. Il team sta lavorando per integrare i nanosensori basati su punti eccezionali su un chip.

"Una volta ottimizzati alcuni dei parametri principali di questo sistema per ridurre al minimo le perdite ohmiche e radiative, possiamo iniziare a trasferire questa ricerca dalla fase teorica a un prodotto commercialmente rilevante, " ha detto Kanté. Il team ha depositato un brevetto sulla tecnologia.