I Londons St. Paul's Cathedral, en viskning hörs långt över det cirkulära viskningsgalleriet när ljudet kröker sig runt väggarna. Nu, en resonator för optiskt viskande galleriläge utvecklad av Penn State elektriker kan snurra ljus runt omkretsen av en liten sfär miljontals gånger, skapa en ultrakänslig mikrochip-baserad sensor för flera applikationer.

"Viskande resonatorer i galleriläge, som i grunden är optiska resonatorer, har studerats intensivt i minst 20 år, " sa Srinivas Tadigadapa, professor i elektroteknik. "Vad folk har gjort är att ta en optisk fiber och röra vid änden med en blåslampa. När den smälta fibern åter kondenserar, den bildar en sfär vid spetsen. Denna kan kopplas till en ljuskälla för att skapa en sensor."

Den typen av sensorer består av solida sfärer och är inte kompatibel med mikrotillverkningsmetoder, men nyligen utvecklade Tadigadapa och hans team ett innovativt sätt att odla mikrosfäriska skal av glas på chip med otrolig känslighet som potentiellt kan användas för rörelse, temperatur, tryck eller biokemisk avkänning.

De ihåliga borosilikatglassfärerna blåses från förseglade och trycksatta cylindriska kaviteter etsade in i ett kiselsubstrat. Med hjälp av en glasblåsningsteknik, den tunna glasbrickan, under hög värme och externt vakuumtryck, bildar en nästan perfekt bubbla. Forskarna odlade uppsättningar av sfärer från 230 mikron till 1,2 millimeter i diameter med väggtjocklekar mellan 300 nanometer och 10 mikrometer.

"Sfärens botten är tunnare tills det i princip är ett hål, " Sa Tadigadapa. "Du kan sätta ljuset på utsidan av sfären men gör all kemin på insidan av skalet. Du kan ta in vilken analyt som helst som du vill identifiera, men det går på den inre ytan. Det ger många möjligheter. Du kan göra kemisk avkänning, ångavkänning, biofysisk avkänning, tryckavkänning och verkligen enastående temperaturavkänning."

Efter många misslyckade försök, teamet upptäckte att nyckeln till att göra en högkvalitativ sensor ligger i att se till att sfärens ekvatorialplan, dess centrum, är ovanför chippets yta.

För att få en förståelse för kvaliteten på deras sfärer, Tadigadapas doktorand Chenchen Zhang och nyligen doktorand Eugene Freeman arbetade med Alexander Cocking, en doktorand i labbet hos Penn State laserexpert Zhiwen Liu, professor i elektroteknik.

"Vi gör bubblorna och tar dem sedan till Dr. Lius labb för att få resonansnivåerna och göra mätningarna, sa Zhang, huvudförfattare på ett papper som beskriver deras arbete, som visas idag (2 nov) i Vetenskapliga rapporter , en online, öppen tillgång journal. Detta resultat kommer att ha särskild betydelse för biofysikalisk avkänning i laboratoriet för sjukdomsavkänning, sa Zhang. "Eller genom att lägga till en polymerbeläggning på insidan av bubblan, du kan göra en riktigt känslig fuktighetssensor."

Tadigadapa lade till, "Det finns några riktigt spännande möjligheter. Jag tror att det kommer att skapa ett stort uppföljningsarbete."