Onderzoekers van de University of California San Diego hebben een nieuw ontwerp ontwikkeld voor een compacte, ultragevoelige nanosensor die kan worden gebruikt om draagbare apparaten voor gezondheidsbewaking te maken en om minieme hoeveelheden gifstoffen en explosieven te detecteren voor beveiligingstoepassingen.

De studie richt zich op een van de grootste uitdagingen van het ontwerp van nanosensoren:hoe de gevoeligheid te vergroten en tegelijkertijd de grootte te verkleinen.

Het nanosensorontwerp dat in deze studie wordt gepresenteerd, combineert driedimensionale plasmonische nanodeeltjes met singulariteiten die uitzonderlijke punten worden genoemd - een combinatie die voor het eerst wordt aangetoond. "De nieuwe fysica die hier wordt geïmplementeerd, kan mogelijk de plasmonische technologieën die momenteel worden gebruikt voor detectie overtreffen, " zei Boubacar Kanté, professor elektrotechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en senior auteur van de studie. Kanté en zijn team publiceerden hun nieuwe ontwerp op 8 november online in de sectie snelle communicatie van het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

singulariteiten, zoals uitzonderlijke punten, zijn fundamenteel in de natuurkunde vanwege hun griezelige vermogen om een ​​grote respons op te wekken bij een kleine excitatie, Kanté uitgelegd. Singulariteiten treden op wanneer een hoeveelheid ongedefinieerd of oneindig is, zoals de dichtheid in het centrum van een zwart gat, bijvoorbeeld. Uitzonderlijke punten doen zich voor wanneer twee golven degenereren, wat betekent dat zowel hun resonantiefrequenties als ruimtelijke structuur als één versmelten.

"Uitzonderlijke punten zijn zeer gewild voor sensoren en verbeterde interacties tussen licht en materie, " zei Ashok Kodigala, een promovendus in het laboratorium van Kanté en eerste auteur van de studie. "De mogelijkheid om uitzonderlijke punten aan te tonen in systemen die tegelijkertijd sub-golflengte zijn en compatibel zijn met kleine biologische moleculen voor detectie, is tot nu toe ongrijpbaar gebleven."

Nanosensoren werken op basis van een fenomeen dat frequentiesplitsing wordt genoemd, wat betekent dat de aanwezigheid van een stof de degeneratie tussen twee resonantiefrequenties verstoort en een detecteerbare splitsing veroorzaakt. In een uitzonderlijke op punten gebaseerde nanosensor, resonantiefrequenties zouden veel sneller splitsen dan in traditionele nanosensoren, wat aanleiding geeft tot verbeterde detectiemogelijkheden.

Door uitzonderlijke punten en plasmonics te combineren, onderzoekers formuleerden een ontwerp voor een nanosensor die zowel compact als ultragevoelig is.

"We waren van mening dat het ontwerpen van zo'n nanosensor niet alleen een geleidelijke verbetering van bestaande apparaten vereist, maar een conceptuele doorbraak. Daarom hebben we ervoor gekozen om ons te concentreren op op uitzonderlijke punten gebaseerde nanosensoren, ' zei Kodigala.

In dit onderzoek, onderzoekers stelden voor wat Kodigala 'een algemeen recept om uitzonderlijke punten op aanvraag te verkrijgen' noemt. De methode omvat het regelen van de interactie tussen symmetrie-compatibele modi van het plasmonische systeem.

Het ontwerp van de nanosensor is tot nu toe alleen computationeel aangetoond. Het team werkt aan de integratie van de op uitzonderlijke punten gebaseerde nanosensoren op een chip.

"Zodra we enkele van de belangrijkste parameters van dit systeem hebben geoptimaliseerd om ohmse en stralingsverliezen te minimaliseren, we kunnen beginnen met de transitie van dit onderzoek van de theoretische fase naar een commercieel relevant product, "Zei Kanté. Het team heeft een patent aangevraagd op de technologie.