Теперь исследователи из инженерной школы Университета Брауна сделали важный фундаментальный прогресс, который может сделать такие устройства более практичными. Исследовательская группа разработала метод, который устраняет необходимость в узкоспециализированных внешних источниках света, которые излучают когерентный свет, что обычно требуется для этого метода.
Прогресс может позволить создать более универсальные и компактные устройства.
«Всегда считалось, что когерентный свет необходим для плазмонной интерферометрии», – сказал Доменико Пацифичи, профессор инженерных наук, который руководил работой со своим докторантом Дунфаном Ли и аспирантом Цзин Фенгом. "Но мы смогли опровергнуть это предположение."
Исследование описано в Nature Scientific Reports.
Плазмонные интерферометры используют взаимодействие между светом и поверхностными плазмонными поляритонами, волны плотности, создаваемые, когда световая энергия сотрясает свободные электроны в металле.
Один тип интерферометра выглядит как структура в виде яблочка, выгравированная на тонком слое металла. В центре – отверстие диаметром около 300 нанометров в металлическом слое, что примерно в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса.
Отверстие окружено серией протравленных канавок диаметром несколько микрометров. Тысячи таких «бычьих глаз» можно разместить на микросхеме размером с ноготь.
Когда свет от внешнего источника попадает на поверхность интерферометра, некоторые фотоны проходят через центральное отверстие, а другие рассеиваются канавками. Эти рассеянные фотоны генерируют поверхностные плазмоны, которые распространяются через металл внутрь к отверстию, где они взаимодействуют с фотонами, проходящими через отверстие. Это создает интерференционный узор в свете, излучаемом из отверстия, который может быть зарегистрирован детектором под металлической поверхностью.
Когда жидкость наносится на верхнюю часть интерферометра, свет и поверхностные плазмоны распространяются через эту жидкость, прежде чем они столкнутся друг с другом.
Это изменяет интерференционные картины, регистрируемые детектором, в зависимости от химического состава жидкости или присутствующих в ней соединений. Используя кольца с пазами разного размера вокруг отверстия, интерферометры могут быть настроены для обнаружения характерных черт определенных соединений или молекул.
Имея возможность разместить множество интерферометров с различной настройкой на одном кристалле, инженеры гипотетически могут создать универсальный детектор.
До сих пор для всех плазмонных интерферометров требовалось использование узкоспециализированных внешних источников света, которые могут излучать когерентный свет – пучки, в которых световые волны параллельны, имеют одинаковую длину волны и распространяются синфазно (то есть пики и впадины волны выровнены). Без когерентных источников света интерферометры не могут создавать полезные интерференционные картины.
Однако такие источники света имеют тенденцию быть громоздкими, дорогими и требуют тщательной юстировки и периодической повторной калибровки для получения надежного оптического отклика.
Но Пацифичи и его группа придумали способ устранить необходимость во внешнем когерентном свете.
В новом методе флуоресцентные светоизлучающие атомы интегрируются непосредственно в крошечное отверстие в центре интерферометра. Внешний источник света по-прежнему необходим для возбуждения внутренних излучателей, но он не обязательно должен быть специализированным когерентным источником.
«Это совершенно новая концепция оптической интерферометрии, – сказал Пацифци, – совершенно новое устройство."
В этом новом устройстве некогерентный свет, отображаемый на интерферометре, заставляет флуоресцентные атомы внутри центрального отверстия генерировать поверхностные плазмоны. Эти плазмоны распространяются наружу от отверстия, отскакивают от колец канавок и возвращаются к отверстию после. Как только плазмон распространяется обратно, он взаимодействует с атомом, который его выпустил, вызывая интерференцию с непосредственно переданным фотоном.
Поскольку излучение фотона и генерация плазмона неотличимы, альтернативные пути исходят от одного и того же излучателя, процесс естественно когерентный, и поэтому может возникать интерференция, даже если излучатели возбуждаются некогерентно.
«Здесь важно то, что это процесс самоинтерференции», – сказал Пацифики. "Неважно, что вы используете некогерентный свет для возбуждения излучателей, вы все равно получите когерентный процесс."
По словам Пацифци, помимо устранения необходимости в специализированных внешних источниках света, этот подход имеет ряд преимуществ.
Поскольку поверхностные плазмоны выходят из отверстия и возвращаются обратно, они дважды исследуют образец поверх поверхности интерферометра. Это делает устройство более чувствительным.
Но это не единственное преимущество. В новом устройстве внешний свет может проецироваться из-под металлической поверхности, содержащей интерферометры, а не сверху.
Это устраняет необходимость в сложных архитектурах освещения поверх чувствительной поверхности, что может облегчить интеграцию в компактные устройства.
Встроенные излучатели света также избавляют от необходимости контролировать количество жидкости пробы, осаждаемой на поверхности интерферометра.
Крупные капли жидкости могут вызывать эффекты линзирования, искажение света, которое может искажать результаты интерферометра. Большинство плазмонных датчиков используют крошечные микрофлюидные каналы для доставки тонкой пленки жидкости, чтобы избежать проблем с линзой.
Но с внутренними излучателями света, возбуждаемыми от нижней поверхности, внешний свет никогда не контактирует с образцом, поэтому эффекты линзирования сводятся на нет, как и потребность в микрофлюидике.
Наконец, внутренние излучатели излучают свет низкой интенсивности.
Это хорошо для исследования чувствительных образцов, таких как белки, которые могут быть повреждены светом высокой интенсивности.
Требуется дополнительная работа, чтобы вывести систему из лаборатории на устройства, и Пацифики и его команда планируют продолжить работу над усовершенствованием идеи.
Следующим шагом будет попытка полностью исключить внешний источник света. Исследователи говорят, что возможно в конечном итоге возбудить внутренние излучатели с помощью крошечных оптоволоконных линий или, возможно, электрического тока.
Тем не менее, это первоначальное подтверждение концепции многообещающее, сказал Пацифики.
«С фундаментальной точки зрения мы думаем, что это новое устройство представляет собой значительный шаг вперед, – сказал он, – первую демонстрацию плазмонной интерферометрии с некогерентным светом."