Sfruttare l'energia della luce in volumi su scala nanometrica richiede nuovi approcci ingegneristici per superare una barriera fondamentale nota come "limite di diffrazione". Però, I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno violato questa barriera sviluppando nanoantenne che racchiudono l'energia catturata dalle sorgenti luminose, come LED, in particelle con diametri su scala nanometrica, che consente di rilevare le singole biomolecole, catalizzare reazioni chimiche, e generare fotoni con proprietà desiderabili per il calcolo quantistico.

I risultati, che hanno una vasta gamma di applicazioni che possono includere migliori strumenti diagnostici del cancro, sono stati recentemente pubblicati in Nano lettere , una prestigiosa rivista peer-reviewed pubblicata dall'American Chemical Society in un articolo intitolato "Microcavity-Mediated Spectrally Tunable Amplification of Absorption in Plasmonic Nanoantennas, "La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.

Per creare un dispositivo in grado di superare il limite di diffrazione, la studentessa laureata Qinglan Huang e il suo consigliere, Il direttore del laboratorio Holonyak Brian T. Cunningham, un professore di ingegneria di Donald Biggar Willett, cristalli fotonici accoppiati con una nanoantenna plasmonica, un approccio innovativo nel settore. I cristalli fotonici fungono da ricevitori di luce e concentrano l'energia in un campo elettromagnetico che è centinaia di volte maggiore di quello ricevuto dalla sorgente luminosa originale, come un LED o un laser. Le nanoantenne, quando "sintonizzati" sulla stessa lunghezza d'onda, assorbire l'energia dal campo elettromagnetico e concentrare l'energia in un volume più piccolo che è ancora altri due ordini di grandezza di maggiore intensità. Il feedback energetico tra il cristallo fotonico e la nanoantenna, chiamato "accoppiamento ibrido risonante" può essere osservato dai suoi effetti sullo spettro della luce riflessa e trasmessa.

"Avere un accoppiamento cooperativo tra due cose è eccitante perché non è mai stato fatto, " ha detto Huang. "È un concetto generale che abbiamo dimostrato sperimentalmente per la prima volta."

Per realizzare questo, il team ha controllato attentamente la densità delle nanoantenne per massimizzare la loro efficienza di raccolta dell'energia. Hanno anche sviluppato un metodo che ha permesso di distribuire uniformemente le nanoantenne sulla superficie del cristallo fotonico e ha sintonizzato la lunghezza d'onda di risonanza ottica del cristallo fotonico in modo che corrisponda alla lunghezza d'onda di assorbimento delle nanoantenne.

Oltre a cambiare il modo in cui i ricercatori possono lavorare con la luce, questo nuovo metodo di accoppiamento ha il potenziale per cambiare come e quando viene diagnosticato il cancro. Un'applicazione consiste nell'utilizzare una nanoparticella d'oro, non molto più grande di biomolecole come il DNA, come la nanoantenna. In questo caso, il feedback fornisce un modo per identificare un biomarcatore unico per un certo tipo di cellula cancerosa, e il gruppo che ora collega la tecnica dell'accoppiamento ibrido risonante a nuovi metodi biochimici per rilevare molecole di RNA e DNA specifiche per il cancro con la precisione di una singola molecola. Cunningham, e altri membri del Nanosensor Group pubblicheranno presto un altro documento che si concentra specificamente sulle applicazioni della scoperta per quanto riguarda la diagnostica del cancro.

" Nano lettere è un diario molto difficile da leggere, " ha detto Cunningham. "Ma la fisica innovativa in questa ricerca e il potenziale per ampie applicazioni sono ciò che distingue questa ricerca. I prossimi passi di questa ricerca riguardano l'approfondimento delle potenziali applicazioni di questo nuovo processo.