Luz ultraconfinada para detectar moléculas dañinas

Una nueva técnica para exprimir la luz infrarroja en espacios ultraconfinados genera una antena a nano escala intensa que podría usarse para detectar biomoléculas individuales.

Como se publica en 'Science Advances', científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard (SEAS) aprovecharon el poder de los polaritones, partículas que difuminan la distinción entre luz y materia.

Esta luz ultraconfinada se puede usar para detectar cantidades muy pequeñas de materia cerca de los polaritones. Por ejemplo, muchas sustancias peligrosas, como el formaldehído, tienen una firma infrarroja que puede ampliarse mediante estas antenas. La forma y el tamaño de los polaritones también se pueden sintonizar, allanando el camino a detectores infrarrojos inteligentes y biosensores.

"Este trabajo abre una nueva frontera en nanofotónica", señala el autor principal del estudio, Federico Capasso, profesor de Física Aplicada e investigador principal en Ingeniería Eléctrica. "Al unir la luz a las vibraciones atómicas, hemos concentrado la luz en nano dispositivos mucho más pequeños que su longitud de onda, lo que nos brinda una nueva herramienta para detectar y manipular moléculas", añade.

Los polaritones son partículas mecánicas cuánticas híbridas, compuestas de un fotón fuertemente acoplado a átomos vibratorios en un cristal bidimensional. "Nuestro objetivo era aprovechar esta fuerte interacción entre la luz y la materia e idear polaritones para enfocar la luz en espacios muy pequeños", apunta la coautora del estudio, Michele Tamagnone, investigadora postdoctoral en Física Aplicada en SEAS.

Los investigadores construyeron nano discos el más pequeño de unos 50 nanómetros de alto y 200 nanómetros de ancho hechos de cristales bidimensionales de nitruro de boro. Estos materiales actúan como micro resonadores, atrapando fotones infrarrojos y generando polaritones. Cuando se iluminaron con luz infrarroja, los discos pudieron concentrar la luz en un volumen miles de veces menor que el que es posible con materiales ópticos estándar, como el vidrio.

OSCILACIÓN DE PARTÍCULAS MECÁNICAS

A tan altas concentraciones, los científicos notaron algo curioso sobre el comportamiento de los polaritones: oscilaban como el agua chapoteando en un vaso, cambiando su oscilación dependiendo de la frecuencia de la luz incidente. "Si inclinas una taza de ida y vuelta, el agua en el vaso oscila en una dirección. Si giras la taza, el agua dentro del vaso oscila en otra dirección. Los polaritones oscilan de manera similar, como si los nano-discos estuvieran para guiar, como la taza para el agua", dice Tamagnone.

A diferencia de los materiales ópticos tradicionales, estos cristales de nitruro de boro no están limitados en tamaño por la longitud de onda de la luz, lo que significa que no hay límite en lo pequeña que puede ser la taza. Estos materiales también tienen pequeñas pérdidas ópticas, lo que significa que la luz confinada al disco puede oscilar durante un largo tiempo antes de que se asiente, lo que hace que la luz interna sea aún más intensa.

Los investigadores concentraron aún más la luz colocando dos discos con oscilaciones coincidentes uno al lado del otro, atrapando la luz en el espacio de 50 nanómetros entre ellos y creando una antena infrarroja. A medida que la luz se concentra en volúmenes cada vez más pequeños, su intensidad aumenta, creando campos ópticos tan fuertes que pueden ejercer una fuerza medible sobre las partículas cercanas.

"Estas fuerzas inducidas por la luz también sirven como uno de nuestros mecanismos de detección", dice Antonio Ambrosio, científico principal del Centro de Sistemas a Nano escala de la Universidad de Harvard. "Observamos esta luz ultra confinada por el movimiento que induce en una punta atómicamente afilada conectada a un soporte".

Un desafío futuro para el equipo de Harvard es optimizar estos nanoconcentradores ligeros para lograr intensidades lo suficientemente altas como para mejorar la interacción con una sola molécula a valores detectables.