Forskare från University of California San Diego har utvecklat en ny design för en kompakt, ultrakänslig nanosensor som kan användas för att tillverka bärbara hälsoövervakningsenheter och för att upptäcka små mängder gifter och sprängämnen för säkerhetsapplikationer.

Studien tar upp en av de stora utmaningarna med nanosensordesign:hur man ökar känsligheten samtidigt som man minskar storleken.

Nanosensordesignen som presenteras i denna studie kombinerar tredimensionella plasmoniska nanopartiklar med singulariteter som kallas exceptionella punkter - en kombination som demonstreras för första gången. "Den nya fysiken som implementeras här skulle potentiellt kunna konkurrera ut de plasmoniska teknologier som för närvarande används för avkänning, sade Boubacar Kanté, professor i elektroteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och senior författare till studien. Kanté och hans team publicerade sin romandesign den 8 november online i tidskriftens avsnitt för snabb kommunikation Fysisk granskning B .

Singulariteter, som exceptionella punkter, är grundläggande i fysiken på grund av deras kusliga förmåga att inducera ett stort svar från en liten excitation, Kanté förklarade. Singulariteter uppstår när en storhet är odefinierad eller oändlig, såsom densiteten i mitten av det svarta hålet, till exempel. Exceptionella punkter uppstår när två vågor blir degenererade, vilket innebär att både deras resonansfrekvenser och rumsliga struktur smälter samman som en.

"Exceptionella punkter har varit mycket eftertraktade för sensorer och förbättrade ljus-materia-interaktioner, " sa Ashok Kodigala, en doktorand i Kantés labb och första författare till studien. "Möjligheten att demonstrera exceptionella punkter i system som samtidigt är sub-våglängd och kompatibla med små biologiska molekyler för avkänning har förblivit svårfångade - tills nu."

Nanosensorer fungerar baserat på ett fenomen som kallas frekvensdelning, vilket innebär att närvaron av ett ämne stör degenerationen mellan två resonansfrekvenser och orsakar en detekterbar splittring. I en exceptionell punktbaserad nanosensor, resonansfrekvenser skulle delas mycket snabbare än de gör i traditionella nanosensorer, ger upphov till förbättrade detektionsmöjligheter.

Genom att kombinera exceptionella punkter och plasmonics, forskare formulerade en design för en nanosensor som är både kompakt och ultrakänslig.

"Vi trodde att design av en sådan nanosensor inte bara kräver en gradvis förbättring av befintliga enheter, men ett konceptuellt genombrott. Det är därför vi valde att fokusera på exceptionella punktbaserade nanosensorer, " sa Kodigala.

I den här studien, forskare föreslog vad Kodigala kallar "ett allmänt recept för att få exceptionella poäng på begäran." Metoden innebär att styra interaktionen mellan symmetrikompatibla lägen i det plasmoniska systemet.

Nanosensordesignen har bara visats beräkningsmässigt hittills. Teamet arbetar med att integrera de exceptionella punktbaserade nanosensorerna på ett chip.

"När vi optimerar några av huvudparametrarna i detta system för att minimera ohmska och strålningsförluster, vi kan börja omvandla denna forskning från det teoretiska skedet till en kommersiellt relevant produkt, " Sa Kanté. Teamet har lämnat in ett patent på tekniken.