(PhysOrg.com) -- Un microlaser pas plus gros qu'une piqûre d'épingle peut détecter et compter avec précision les virus individuels, les particules qui déclenchent la formation des nuages ​​ou celles qui contaminent l'air que nous respirons.

Un minuscule laser en forme de beignet est la dernière merveille de la microminiaturisation du silicium, mais au lieu de manipuler des bits, il détecte de très petites particules. Les petites particules jouent un rôle important – et largement inaperçu – dans notre vie quotidienne. Les particules virales nous rendent malades, les particules de sel déclenchent la formation de nuages, et les particules de suie pénètrent profondément dans nos poumons et rendent la respiration plus difficile.

Le capteur appartient à une catégorie appelée résonateurs à galerie chuchotante, qui fonctionnent comme la célèbre galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul de Londres, où quelqu'un d'un côté du dôme peut entendre un message prononcé au mur par quelqu'un de l'autre côté. Contrairement au dôme, qui a des résonances ou des points doux dans la gamme audible, le capteur résonne aux fréquences lumineuses.

La lumière circulant autour du micro-laser est perturbée par une particule qui se pose sur l'anneau, changer la fréquence de la lumière. L'anneau peut compter jusqu'à 800 nanoparticules avant que les signaux ne commencent à se perdre dans le bruit. En excitant plus d'un mode sur le ring, les scientifiques peuvent revérifier l'exactitude du décompte. Et en changeant le « gain medium, ” ils peuvent adapter le capteur à l'eau plutôt qu'à l'air.

Lan Yang, Doctorat, professeur adjoint d'ingénierie électrique et des systèmes à l'Université de Washington à St. Louis qui dirige l'équipe qui a fabriqué le nouveau capteur, affirme qu'il existe déjà un vif intérêt pour sa commercialisation dans des domaines allant de la biologie à la science des aérosols. Le capteur est décrit et caractérisé dans l'édition en ligne du 26 juin de Nature Nanotechnology.

Le résonateur Whispering Gallery devient microlaser

Un résonateur à galerie chuchotant prend en charge les "modes dégénérés en fréquence" (modes, ou des motifs d'excitation dans l'anneau, avec la même fréquence, l'un se déplaçant dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de l'anneau.

Les champs de modes ont des « queues évanescentes » qui pénètrent la surface de l'anneau et sondent le milieu environnant. Lorsqu'une particule atterrit sur l'un des "points chauds", elle diffuse de l'énergie de l'un des modes dans l'autre, et les modes adoptent des fréquences de résonance légèrement différentes. C'est ce qu'on appelle la division de mode.

Dans un travail antérieur, L'équipe Yang a utilisé la division de mode dans un simple anneau de verre qui fonctionnait comme un guide d'ondes pour la lumière qui y était couplée de l'extérieur. Parce que l'anneau était passif, le laser externe devait être un laser accordable coûteux afin qu'il puisse balayer une gamme de fréquences à la recherche des résonances de l'anneau pour mesurer la division de mode. (Pour plus d'informations sur ce capteur, voir « Un petit capteur mesure des nanoparticules. »)

Le nouveau capteur diffère des précédents résonateurs à galerie de chuchotement en ce qu'il est lui-même un laser miniature plutôt que la cavité résonante d'un laser externe.

Le nouveau capteur est également en verre mais en verre mêlé d'atomes d'éléments des terres rares qui servent de "milieu de gain". l'anneau commence à émettre à sa propre fréquence préférée.

Lorsqu'une particule atterrit sur le microlaser, une seule ligne laser se divise en deux fréquences légèrement différentes.

Un moyen simple de mesurer la division de fréquence consiste à mélanger les modes laser divisés dans un photodétecteur, qui produit une « fréquence de battement » qui correspond à la différence de fréquence.

« Les minuscules capteurs sont produits en masse par la méthode sol-gel sur une plaquette de silicium, et il est facile de changer le médium de gain », explique Lina He, un étudiant diplômé et premier auteur de l'article. "Les résonateurs sont fabriqués en mélangeant les ions de terres rares de choix dans une solution de tétraéthoxysilane, eau et acide chlorhydrique. La solution est chauffée jusqu'à ce qu'elle devienne visqueuse, puis déposée par centrifugation sur une plaquette de silicium et recuite pour éliminer les solvants et terminer la transition vers le verre amorphe. Le mince film de verre est ensuite gravé pour créer des disques de silice soutenus en dessous par des piliers de silicium. Comme dernière étape, les disques de silice rugueux sont refondus en tores lisses par recuit laser."

Le capteur actif surpasse le capteur passif

"La lumière utilisée pour la détection est générée à l'intérieur du résonateur lui-même, et donc c'est plus pur que la lumière dans le capteur passif, " dit Yang " Quand la lumière n'est pas si pure, vous ne pourrez peut-être pas voir de petits changements de fréquence. Mais le capteur actif atteint une fréquence - il a une largeur de ligne très étroite - et il est donc beaucoup plus sensible.

Le microlaser est de plusieurs ordres de grandeur plus sensible que le résonateur passif, elle dit. Sa limite de résolution effective est d'environ un nanomètre. Un nanomètre est à un mètre, quel marbre est pour la Terre.

De plus, parce que le laser est maintenant dans l'anneau plutôt que couplé à celui-ci, l'ensemble du système est plus simple et plus autonome. « Maintenant, vous avez juste besoin d'une source de lumière pour exciter le support optique, " dit Yang, "et vous pouvez utiliser une diode laser bon marché pour cela au lieu d'un laser accordable coûteux."

Détection de nombreuses particules

L'effet d'une particule sur un mode laser dépend de la « polarisabilité, ” qui est fonction de sa taille et de son indice de réfraction. Pour couvrir les possibilités, l'équipe de l'université de Washington a testé les performances du micro-laser avec des nanoparticules de différentes tailles constituées de divers matériaux, y compris le polystyrène (emballage de cacahuètes), virions (particules virales) et or.

Au fur et à mesure que les particules entrent une par une dans le « volume de mode » du micro-laser, les scientifiques peuvent voir un saut vers le haut ou vers le bas discret dans la fréquence de battement. Chaque saut discret signale la fixation d'une particule sur l'anneau, et le nombre de sauts reflète le nombre de particules.

Parce que le "champ du résonateur" piège les particules sur le résonateur, une fois débarqué, ils tombent rarement. Mais l'équipe a découvert qu'elle était capable de compter de nombreuses particules avant que les pertes induites par les particules ne rendent les largeurs de raie laser si larges qu'elles ne pouvaient pas détecter les changements de division de fréquence en raison de la dernière arrivée.

Par exemple, ils ont pu détecter et compter jusqu'à 816 nanoparticules d'or en utilisant le même mode laser.

"Lorsque l'élargissement de la ligne est comparable au changement de division, alors tu as fini, ", dit Yang. « Cependant, l'ensemble du résonateur est fabriqué sur la puce, vous pouvez donc simplement passer au résonateur suivant si nécessaire.

Doubler pour plus de précision

Le micro-laser peut prendre en charge plusieurs modes laser à la fois. "En contrôlant le chevauchement de la lumière de la pompe avec le milieu de gain, vous pouvez exciter plus d'une ligne laser, », dit Sahin Kaya Ozdemir, Doctorat, chercheur associé et co-auteur. "Puis quand une particule atterrit sur l'anneau, chaque ligne laser se divisera en deux, et générer une fréquence de battement. Vous aurez donc deux fréquences de battement au lieu d'une.

C'est un avantage, il explique, car la fréquence de battement dépend en partie de l'endroit où la particule atterrit sur l'anneau. S'il n'y a qu'une seule ligne laser et que la particule tombe entre les « points chauds », elle peut ne pas être détectée. La deuxième fréquence de battement empêche ces « faux négatifs, ” garantissant que chaque particule produit une fréquence de battement détectable.

Détection de particules dans l'eau

Les microlasers destinés à détecter les particules dans l'air avaient été dopés à l'erbium, une terre rare dont les propriétés optiques correspondent bien à celles de l'air. Dans une dernière expérience conçue pour voir si cette technique pouvait être utilisée pour détecter des particules dans l'eau ou le sang, l'équipe a fabriqué des capteurs dopés à l'ytterbium plutôt qu'à l'erbium. L'ytterbium émet des lasers à des longueurs d'onde à faible absorption par l'eau.

L'équipe de Yang a déjà commencé à travailler pour utiliser la sensibilité accrue fournie par le microlaser pour étudier divers problèmes. Au niveau des candidatures, « l'utilisation à court terme sera la surveillance des comportements dynamiques des particules en réponse aux changements environnementaux et chimiques à une résolution de particule unique, ", dit Yang.

L'étape suivante, l'équipe voit est de concevoir la surface de ces minuscules microlasers pour détecter l'ADN et les molécules biologiques individuelles. Si l'ADN est marqué avec des nanoparticules modifiées, le capteur micro-laser peut compter des molécules d'ADN individuelles ou des fragments de molécules.

En écoutant Yang, il est difficile d'échapper à l'impression que vous entendez pour la première fois parler d'un appareil étonnant qui sera un jour aussi omniprésent - et probablement aussi sous-estimé --- que les portes logiques de nos micro-ondes, téléphones portables et voitures.