Het benutten van de energie van licht in volumes op nanoschaal vereist nieuwe technische benaderingen om een ​​fundamentele barrière te overwinnen die bekend staat als de 'diffractielimiet'. Echter, Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben deze barrière doorbroken door nanoantennes te ontwikkelen die de energie bevatten die wordt opgevangen door lichtbronnen, zoals LED's, in deeltjes met een diameter op nanometerschaal, het mogelijk maken om individuele biomoleculen te detecteren, katalyseren chemische reacties, en het genereren van fotonen met gewenste eigenschappen voor quantum computing.

De resultaten, die een breed scala aan toepassingen hebben, waaronder betere diagnostische hulpmiddelen voor kanker, werden onlangs gepubliceerd in de Nano-letters , een prestigieus peer-reviewed tijdschrift gepubliceerd door de American Chemical Society in een paper getiteld "Miccrocavity-Mediated Spectrally Tunable Amplification of Absorption in Plasmonic Nanoantennas, "Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Om een ​​apparaat te maken dat de diffractielimiet kan overwinnen, afgestudeerde student Qinglan Huang en haar adviseur, Holonyak Lab-directeur Brian T. Cunningham, een Donald Biggar Willett Professor in Engineering, gekoppelde fotonische kristallen met een plasmonische nanoantenne, een innovatieve aanpak in het veld. De fotonische kristallen dienen als lichtontvangers en concentreren de energie in een elektromagnetisch veld dat honderden keren groter is dan dat van de oorspronkelijke lichtbron. zoals een LED of laser. De nanoantennes, wanneer "afgestemd" op dezelfde golflengte, absorbeer de energie van het elektromagnetische veld en concentreer de energie in een kleiner volume dat nog eens twee orden van grotere intensiteit is. De energieterugkoppeling tussen het fotonische kristal en de nanoantenne, genaamd "resonante hybride koppeling" kan worden waargenomen door zijn effecten op het gereflecteerde en doorgelaten lichtspectrum.

"Het is opwindend om een ​​coöperatieve koppeling tussen twee dingen te krijgen, omdat het nog nooit is gedaan, " zei Huang. "Het is een concept voor algemene doeleinden dat we voor het eerst experimenteel hebben aangetoond."

Om dit te behalen, het team controleerde zorgvuldig de dichtheid van de nanoantennes om hun energieverzamelingsefficiëntie te maximaliseren. Ze ontwikkelden ook een methode waarmee de nanoantennes gelijkmatig over het fotonische kristaloppervlak konden worden verdeeld en stemden de optische resonantiegolflengte van het fotonische kristal af op de absorptiegolflengte van de nanoantennes.

Naast het veranderen van hoe onderzoekers met licht kunnen werken, deze nieuwe koppelingsmethode heeft het potentieel om te veranderen hoe en wanneer kanker wordt gediagnosticeerd. Een toepassing is het gebruik van een gouden nanodeeltje, niet veel groter dan biomoleculen zoals DNA, als de nanoantenne. In dit geval, de feedback biedt een manier om een ​​biomarker te identificeren die uniek is voor een bepaald type kankercel, en de groep koppelt nu de resonante hybride koppelingstechniek aan nieuwe biochemische methoden om kankerspecifieke RNA- en DNA-moleculen te detecteren met een enkele molecuulprecisie. Cunningham, en andere leden van de Nanosensor Group zullen binnenkort een ander artikel publiceren dat zich specifiek richt op de toepassingen van de ontdekking met betrekking tot kankerdiagnostiek.

" Nano-letters is een heel moeilijk dagboek om in te komen, " zei Cunningham. "Maar de nieuwe fysica in dit onderzoek en het potentieel voor brede toepassingen maken dit onderzoek opvallen. De volgende stappen van dit onderzoek zijn het verdiepen in de mogelijke toepassingen van dit nieuwe proces.