Imaginez un capteur environnemental portable capable de tester instantanément la présence de plomb dans l'eau, E. coli, et pesticides à la fois, ou un biocapteur qui peut effectuer un bilan sanguin complet à partir d'une seule goutte. C'est la promesse de l'interférométrie plasmonique à l'échelle nanométrique, une technique qui combine la nanotechnologie avec la plasmonique, l'interaction entre les électrons dans un métal et la lumière.

Aujourd'hui, des chercheurs de la School of Engineering de l'Université Brown ont réalisé une avancée fondamentale importante qui pourrait rendre ces dispositifs plus pratiques. L'équipe de recherche a développé une technique qui élimine le besoin de sources lumineuses externes hautement spécialisées qui fournissent une lumière cohérente, que la technique requiert normalement. L'avancée pourrait permettre des appareils plus polyvalents et plus compacts.

"Il a toujours été supposé que la lumière cohérente était nécessaire pour l'interférométrie plasmonique, " a déclaré Domenico Pacifici, un professeur d'ingénierie qui a supervisé les travaux avec son chercheur postdoctoral Dongfang Li, et l'étudiant diplômé Jing Feng. "Mais nous avons pu réfuter cette hypothèse."

La recherche est décrite dans Nature Rapports scientifiques .

Les interféromètres plasmoniques exploitent l'interaction entre la lumière et les polaritons plasmoniques de surface, ondes de densité créées lorsque l'énergie lumineuse fait vibrer les électrons libres dans un métal. Un type d'interféromètre ressemble à une structure en œil de bœuf gravée dans une fine couche de métal. Au centre se trouve un trou percé à travers la couche métallique d'un diamètre d'environ 300 nanomètres, soit environ 1, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain. Le trou est entouré d'une série de rainures gravées, avec des diamètres de quelques micromètres. Des milliers de ces bulls-eyes peuvent être placés sur une puce de la taille d'un ongle.

Lorsque la lumière d'une source externe est affichée sur la surface d'un interféromètre, certains photons passent par le trou central, tandis que d'autres sont dispersés par les rainures. Ces photons diffusés génèrent des plasmons de surface qui se propagent à travers le métal vers l'intérieur vers le trou, où ils interagissent avec les photons passant à travers le trou. Cela crée un motif d'interférence dans la lumière émise par le trou, qui peut être enregistré par un détecteur sous la surface métallique.

Lorsqu'un liquide est déposé au-dessus d'un interféromètre, la lumière et les plasmons de surface se propagent à travers ce liquide avant d'interférer les uns avec les autres. Cela modifie les modèles d'interférence captés par le détecteur en fonction de la composition chimique du liquide ou des composés qu'il contient. En utilisant différentes tailles de bagues rainurées autour du trou, les interféromètres peuvent être réglés pour détecter la signature de composés ou de molécules spécifiques. Avec la possibilité de mettre de nombreux interféromètres réglés différemment sur une seule puce, les ingénieurs peuvent hypothétiquement faire un détecteur polyvalent.

Jusqu'à maintenant, tous les interféromètres plasmoniques ont nécessité l'utilisation de sources lumineuses externes hautement spécialisées pouvant fournir une lumière cohérente - des faisceaux dans lesquels les ondes lumineuses sont parallèles, ont la même longueur d'onde, et voyage en phase (ce qui signifie que les pics et les vallées des vagues sont alignés). Sans sources lumineuses cohérentes, les interféromètres ne peuvent pas produire de motifs d'interférence utilisables. Ce genre de sources lumineuses, cependant, ont tendance à être volumineux, cher, et nécessitent un alignement soigneux et un réétalonnage périodique pour obtenir une réponse optique fiable.

Mais Pacifici et son groupe ont trouvé un moyen d'éliminer le besoin d'une lumière cohérente externe. Dans la nouvelle méthode, des atomes émettant de la lumière fluorescente sont intégrés directement dans le petit trou au centre de l'interféromètre. Une source lumineuse externe est encore nécessaire pour exciter les émetteurs internes, mais il n'est pas nécessaire qu'il s'agisse d'une source cohérente spécialisée.

« C'est un tout nouveau concept pour l'interférométrie optique, " Pacifici a dit, "un tout nouvel appareil."

Dans ce nouvel appareil, la lumière incohérente montrée sur l'interféromètre amène les atomes fluorescents à l'intérieur du trou central à générer des plasmons de surface. Ces plasmons se propagent vers l'extérieur du trou, rebondir sur les anneaux rainurés, et se propager vers le trou après. Une fois qu'un plasmon se propage, il interagit avec l'atome qui l'a libéré, provoquant une interférence avec le photon directement transmis. Parce que l'émission d'un photon et la génération d'un plasmon sont indiscernables, des chemins alternatifs provenant du même émetteur, le processus est naturellement cohérent et des interférences peuvent donc se produire même si les émetteurs sont excités de manière incohérente.

"L'important ici est qu'il s'agit d'un processus d'auto-interférence, " Pacifici a dit. " Peu importe que vous utilisiez une lumière incohérente pour exciter les émetteurs, vous obtenez toujours un processus cohérent."

En plus d'éliminer le besoin de sources lumineuses externes spécialisées, l'approche présente plusieurs avantages, dit Pacifici. Parce que les plasmons de surface sortent du trou et reviennent, ils sondent deux fois l'échantillon au-dessus de la surface de l'interféromètre. Cela rend l'appareil plus sensible.

Mais ce n'est pas le seul avantage. Dans le nouvel appareil, la lumière externe peut être projetée depuis le dessous de la surface métallique contenant les interféromètres au lieu d'en haut. Cela élimine le besoin d'architectures d'éclairage complexes au-dessus de la surface de détection, ce qui pourrait faciliter l'intégration dans des appareils compacts.

Les émetteurs de lumière intégrés éliminent également le besoin de contrôler la quantité d'échantillon liquide déposé sur la surface de l'interféromètre. De grosses gouttelettes de liquide peuvent provoquer des effets de lentille, une courbure de la lumière qui peut brouiller les résultats de l'interféromètre. La plupart des capteurs plasmoniques utilisent de minuscules canaux microfluidiques pour délivrer un mince film de liquide afin d'éviter les problèmes de lentille. Mais avec des émetteurs de lumière internes excités à partir de la surface inférieure, la lumière extérieure n'entre jamais en contact avec l'échantillon, ainsi les effets de lentille sont annulés, tout comme le besoin de microfluidique.

Finalement, les émetteurs internes produisent une lumière de faible intensité. C'est bon pour sonder des échantillons délicats, comme les protéines, qui peut être endommagé par une lumière à haute intensité.

Plus de travail est nécessaire pour sortir le système du laboratoire et dans les appareils, et Pacifici et son équipe prévoient de continuer à affiner l'idée. La prochaine étape consistera à essayer d'éliminer complètement la source de lumière externe. Ça pourrait être possible, disent les chercheurs, pour éventuellement exciter les émetteurs internes à l'aide de minuscules lignes de fibres optiques, ou peut-être du courant électrique.

Toujours, cette première preuve de concept est prometteuse, dit Pacifici.

« D'un point de vue fondamental, nous pensons que ce nouveau dispositif représente un pas en avant significatif, " il a dit, "une première démonstration d'interférométrie plasmonique avec lumière incohérente".