Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un nouveau design pour un appareil compact, nanocapteur ultra-sensible qui peut être utilisé pour fabriquer des appareils portables de surveillance de la santé et pour détecter des quantités infimes de toxines et d'explosifs pour des applications de sécurité.

L'étude aborde l'un des défis majeurs de la conception de nanocapteurs :comment augmenter la sensibilité tout en réduisant la taille.

La conception du nanocapteur présentée dans cette étude combine des nanoparticules plasmoniques tridimensionnelles avec des singularités appelées points exceptionnels, une combinaison qui est démontrée pour la première fois. "La nouvelle physique mise en œuvre ici pourrait potentiellement supplanter les technologies plasmoniques actuellement utilisées pour la détection, " dit Boubacar Kanté, professeur de génie électrique à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et auteur principal de l'étude. Kanté et son équipe ont publié leur nouveau design le 8 novembre en ligne dans la section communication rapide du journal Examen physique B .

Singularités, tels que les points exceptionnels, sont fondamentaux en physique en raison de leur capacité étrange à induire une grande réponse à partir d'une petite excitation, Kanté a expliqué. Les singularités se produisent lorsqu'une quantité est indéfinie ou infinie, comme la densité au centre du trou noir, par exemple. Des points exceptionnels se produisent lorsque deux vagues deviennent dégénérées, ce qui signifie que leurs fréquences de résonance et leur structure spatiale se confondent.

"Les points d'exception ont été très recherchés pour les capteurs et les interactions lumière-matière améliorées, " dit Ashok Kodigala, doctorant au laboratoire de Kanté et premier auteur de l'étude. "La possibilité de démontrer des points exceptionnels dans des systèmes qui sont simultanément sous-longueur d'onde et compatibles avec de petites molécules biologiques pour la détection est restée insaisissable - jusqu'à présent."

Les nanocapteurs fonctionnent sur la base d'un phénomène appelé division de fréquence, ce qui signifie que la présence d'une substance perturbe la dégénérescence entre deux fréquences de résonance et provoque une scission détectable. Dans un nanocapteur à points exceptionnels, les fréquences de résonance se diviseraient beaucoup plus rapidement que dans les nanocapteurs traditionnels, donnant lieu à des capacités de détection améliorées.

En combinant points d'exception et plasmonique, les chercheurs ont élaboré un design pour un nanocapteur à la fois compact et ultra-sensible.

"Nous pensions que la conception d'un tel nanocapteur ne nécessite pas seulement une amélioration progressive des dispositifs existants, mais une percée conceptuelle. C'est pourquoi nous avons choisi de nous concentrer sur les nanocapteurs à points exceptionnels, " a déclaré Kodigala.

Dans cette étude, les chercheurs ont proposé ce que Kodigala appelle "une recette générale pour obtenir des points exceptionnels à la demande". Le procédé consiste à contrôler l'interaction entre les modes compatibles avec la symétrie du système plasmonique.

La conception du nanocapteur n'a été démontrée que par ordinateur jusqu'à présent. L'équipe travaille sur l'intégration des nanocapteurs à points exceptionnels sur une puce.

« Une fois que nous avons optimisé certains des principaux paramètres de ce système pour minimiser les pertes ohmiques et radiatives, nous pouvons commencer à faire passer cette recherche du stade théorique à un produit commercialement pertinent, " a déclaré Kanté. L'équipe a déposé un brevet sur la technologie.