När covid-19 svepte över världen i år, kräver hundratusentals liv, Det blev snabbt klart att en viktig faktor för att kontrollera spridningen är förmågan att snabbt och exakt testa för viruset som orsakar det, SARS-CoV-2, samt de antikroppar den producerar.

Nu, forskare från University of New Mexico och Autonomous University of Madrid (UAM) i Spanien har publicerat en ny studie som de säger skulle kunna bidra till snabbare och effektivare testning av virus som SARS-CoV-2. Deras arbete, med titeln "Super- och Subradient Lattice Resonances in Bipartite Nanoparticle Arrays, " publicerades i tidskriften ACS Nano .

Leds av biträdande professor Alejandro Manjavacas från Theoretical Nanophotonics Group vid UNM Institutionen för fysik och astronomi, och Antonio Fernańdez-Domínguez från UAM, verket faller under nanofotonikens område, fältet som studerar växelverkan mellan ljus och föremål som har storlekar i storleksordningen hundratals nanometer. Som referens, tjockleken på ett människohår är cirka 40, 000 nm, medan storleken på viruset som orsakar covid-19 är 125 nm.

Många tillämpningar av nanofotonik, inklusive ultrakänslig biosensing, som behövs för att upptäcka virus som SARS-CoV-2, och nanoskala laser, som kan användas för att producera koherent ljus av en önskad färg, lita på system som bara svarar på ett mycket smalt färgintervall, eller, med andra ord, ljusets våglängder. Ett sätt att designa system med spektralt smala svar som detta är att dra fördel av de kollektiva interaktionerna mellan en samling metalliska nanopartiklar, små strukturer med dimensioner i nanoskala, arrangerade på ett ordnat sätt som kallas en periodisk array.

I studien, forskarna tittade specifikt på periodiska arrayer som innehåller nanopartiklar av två olika storlekar, snarare än vanligare arrangemang som har helt enhetliga sådana.

"Samspelet mellan de två olika nanopartiklarna ger upphov till ännu snävare svar än arrayer med partiklar av bara en storlek, " säger Alvaro Cuartero-González, en doktorand från UAM och huvudförfattare till uppsatsen. "Och, som en extra bonus, det gör dem mer robusta mot tillverkningsfel, så att arrayer med önskat svar lättare kan byggas i labb."

Denna ökade robusthet kan göra en enorm skillnad när det kommer till massproduktion av tester eller andra enheter som utnyttjar den optiska responsen från dessa system.

Detta spännande arbete involverade en kombination av semi-analytiska beräkningar och rigorösa numeriska simuleringar, genomförs genom ett synergistiskt samarbete mellan tre doktorander Cuartero-González, som besökte UNM mellan september 2019 och februari 2020, samt Stephen Sanders och Lauren Zundel, både från UNM Institutionen för fysik och astronomi.

"Våra semi-analytiska förutsägelser ger insikt i fysiken bakom våra resultat, medan de numeriska beräkningarna hjälpte till att bekräfta deras giltighet, " sa Sanders om arbetet. "Nyckeln till att förstå systemets robusthet kommer från våra beräkningar för ändliga system, " tillade Zundel.

"Att kombinera expertis från de två grupperna var avgörande för framgången för detta arbete, " sa Manjavacas om samarbetet.

Fernández-Domínguez håller med, lägga till, "Jag hoppas att detta bara är början på många samarbeten mellan oss."