Enestående nanosensorarkitektur baseret på usædvanlige punkter

Forskere fra University of California San Diego har udviklet et nyt design til en kompakt, ultrafølsom nanosensor, der kan bruges til at fremstille bærbare sundhedsovervågningsenheder og til at detektere små mængder toksiner og sprængstoffer til sikkerhedsprogrammer.

Undersøgelsen behandler en af ​​de store udfordringer ved nanosensordesign:hvordan man øger følsomheden, samtidig med at størrelsen reduceres.

Nanosensordesignet, der præsenteres i denne undersøgelse, kombinerer tredimensionelle plasmoniske nanopartikler med singulariteter kaldet ekstraordinære punkter-en kombination, der demonstreres for første gang. "Den nye fysik, der er implementeret her, kan potentielt udkonkurrere de plasmoniske teknologier, der i øjeblikket bruges til registrering, "sagde Boubacar Kanté, elektroteknisk professor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og seniorforfatter af undersøgelsen. Kanté og hans team offentliggjorde deres nye design 8. november online i sektionen for hurtig kommunikation i tidsskriftet Fysisk gennemgang B .

Singulariteter, såsom usædvanlige punkter, er grundlæggende i fysik på grund af deres uhyggelige evne til at fremkalde et stort respons fra en lille excitation, Forklarede Kanté. Singulariteter opstår, når en mængde er udefineret eller uendelig, såsom tætheden i midten af ​​det sorte hul, for eksempel. Ekstraordinære punkter opstår, når to bølger bliver degenererede, hvilket betyder, at både deres resonansfrekvenser og rumlige struktur smelter sammen som en.

"Enestående punkter har været meget eftertragtede for sensorer og forbedrede lys-stof-interaktioner, "sagde Ashok Kodigala, en ph.d. -studerende i Kantés laboratorium og første forfatter af undersøgelsen. "Muligheden for at demonstrere usædvanlige punkter i systemer, der samtidig er sub-bølgelængde og kompatible med små biologiske molekyler til sansning, er forblevet undvigende-indtil nu."

Nanosensorer fungerer baseret på et fænomen kaldet frekvensopdeling, hvilket betyder, at tilstedeværelsen af ​​et stof forstyrrer degenerationen mellem to resonansfrekvenser og forårsager en påviselig splittelse. I en usædvanligt punktbaseret nanosensor, resonansfrekvenser ville splitte meget hurtigere end de gør i traditionelle nanosensorer, giver anledning til forbedrede detekteringsmuligheder.

Ved at kombinere ekstraordinære punkter og plasmonik, forskere formulerede et design til en nanosensor, der er både kompakt og ultrafølsom.

"Vi troede på, at design af en sådan nanosensor ikke kun kræver en gradvis forbedring af eksisterende enheder, men et begrebsmæssigt gennembrud. Derfor valgte vi at fokusere på usædvanligt punktbaserede nanosensorer, "Sagde Kodigala.

I dette studie, forskere foreslog, hvad Kodigala kalder "en generel opskrift for at opnå usædvanlige point on demand." Metoden indebærer at kontrollere samspillet mellem symmetri-kompatible tilstande i det plasmoniske system.

Nanosensor -designet er kun blevet demonstreret beregningsmæssigt indtil nu. Teamet arbejder på at integrere de usædvanligt punktbaserede nanosensorer på en chip.

"Når vi optimerer nogle af hovedparametrene i dette system for at minimere ohmiske og strålende tab, vi kan begynde at overføre denne forskning fra det teoretiske stadium til et kommercielt relevant produkt, "Sagde Kanté. Teamet har indgivet patent på teknologien.