Att utnyttja ljusets energi till volymer i nanoskala kräver nya tekniska tillvägagångssätt för att övervinna en grundläggande barriär som kallas "diffraktionsgränsen". Dock, University of Illinois forskare har brutit mot denna barriär genom att utveckla nanoantenner som packar energin som fångas från ljuskällor, såsom lysdioder, till partiklar med nanometerskaliga diametrar, gör det möjligt att detektera enskilda biomolekyler, katalyserar kemiska reaktioner, och generera fotoner med önskvärda egenskaper för kvantberäkning.

Resultaten, som har ett brett utbud av applikationer som kan inkludera bättre diagnostiska verktyg för cancer, publicerades nyligen i Nanobokstäver , en prestigefylld peer-reviewed tidskrift publicerad av American Chemical Society i en artikel med titeln "Microcavity-Mediated Spectrally Tunable Amplification of Absorption in Plasmonic Nanoantennas, " Forskningen finansierades av National Science Foundation.

För att skapa en enhet som kan övervinna diffraktionsgränsen, doktorand Qinglan Huang och hennes rådgivare, Holonyak Lab Director Brian T. Cunningham, Donald Biggar Willett professor i teknik, kopplade fotoniska kristaller med en plasmonisk nanoantenn, ett innovativt tillvägagångssätt på området. De fotoniska kristallerna fungerar som ljusmottagare och fokuserar energin till ett elektromagnetiskt fält som är hundratals gånger större än det som tas emot från den ursprungliga ljuskällan, som en LED eller laser. Nanoantennerna, när "inställt" till samma våglängd, absorbera energin från det elektromagnetiska fältet och koncentrera energin till en mindre volym som är ytterligare två storleksordningar av större intensitet. Energiåterkopplingen mellan den fotoniska kristallen och nanoantennen, kallad "resonant hybridkoppling" kan observeras genom dess effekter på det reflekterade och transmitterade ljusspektrumet.

"Att få samarbetskoppling mellan två saker är spännande eftersom det aldrig har gjorts, ", sa Huang. "Det är ett allmänt koncept som vi experimentellt har demonstrerat för första gången."

För att uppnå detta, teamet kontrollerade noggrant tätheten av nanoantennerna för att maximera deras energiuppsamlingseffektivitet. De utvecklade också en metod som gjorde att nanoantennerna kunde fördelas jämnt över den fotoniska kristallytan och avstämde den fotoniska kristallens optiska resonansvåglängd för att matcha nanoantennernas absorptionsvåglängd.

Förutom att förändra hur forskare kan arbeta med ljus, denna nya kopplingsmetod har potential att förändra hur och när cancer diagnostiseras. En applikation är att använda en guldnanopartikel, inte mycket större än biomolekyler som DNA, som nanoantenn. I detta fall, feedbacken ger ett sätt att identifiera en biomarkör som är unik för en viss typ av cancercell, och gruppen kopplar nu resonanshybridkopplingstekniken till nya biokemimetoder för att detektera cancerspecifika RNA- och DNA-molekyler med enkelmolekylär precision. Cunningham, och andra medlemmar av Nanosensor Group kommer snart att publicera ytterligare ett dokument som fokuserar specifikt på upptäcktens tillämpningar när det gäller cancerdiagnostik.

" Nanobokstäver är en väldigt svår dagbok att komma in i, ", sade Cunningham. "Men den nya fysiken i denna forskning och potentialen för breda tillämpningar är det som gör att denna forskning sticker ut. De nästa stegen i denna forskning innebär att gräva ner sig i de potentiella tillämpningarna av denna nya process.