Exploiter l'énergie de la lumière dans des volumes à l'échelle nanométrique nécessite de nouvelles approches d'ingénierie pour surmonter une barrière fondamentale connue sous le nom de "limite de diffraction". Cependant, Des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont franchi cette barrière en développant des nanoantennes qui emballent l'énergie captée à partir de sources lumineuses, comme les LED, en particules de diamètres nanométriques, permettant de détecter des biomolécules individuelles, catalyser des réactions chimiques, et générer des photons avec des propriétés souhaitables pour l'informatique quantique.

Les résultats, qui ont un large éventail d'applications qui peuvent inclure de meilleurs outils de diagnostic du cancer, ont été récemment publiés dans le Lettres nano , une prestigieuse revue à comité de lecture publiée par l'American Chemical Society dans un article intitulé "Microcavity-Mediated Spectraly Tunable Amplification of Absorption in Plasmonic Nanoantennas, " La recherche a été financée par la National Science Foundation.

Pour créer un appareil capable de dépasser la limite de diffraction, étudiante diplômée Qinglan Huang et son conseiller, Le directeur du laboratoire Holonyak, Brian T. Cunningham, un professeur Donald Biggar Willett en ingénierie, des cristaux photoniques couplés à une nanoantenne plasmonique, une approche innovante dans le domaine. Les cristaux photoniques servent de récepteurs de lumière et concentrent l'énergie dans un champ électromagnétique des centaines de fois supérieur à celui reçu de la source lumineuse d'origine, comme une LED ou un laser. Les nanoantennes, lorsqu'il est "réglé" sur la même longueur d'onde, absorber l'énergie du champ électromagnétique et concentrer l'énergie dans un volume plus petit qui est encore deux ordres de grandeur d'une plus grande intensité. Le retour d'énergie entre le cristal photonique et la nanoantenne, appelé « couplage hybride résonant » peut être observé par ses effets sur le spectre de la lumière réfléchie et transmise.

"Avoir un couplage coopératif entre deux choses est passionnant car cela n'a jamais été fait, " a déclaré Huang. "C'est un concept à usage général que nous avons démontré expérimentalement pour la première fois."

Pour y parvenir, l'équipe a soigneusement contrôlé la densité des nanoantennes pour maximiser leur efficacité de collecte d'énergie. Ils ont également développé une méthode qui a permis aux nanoantennes d'être réparties uniformément sur la surface du cristal photonique et d'ajuster la longueur d'onde de résonance optique du cristal photonique pour correspondre à la longueur d'onde d'absorption des nanoantennes.

En plus de changer la façon dont les chercheurs peuvent travailler avec la lumière, cette nouvelle méthode de couplage a le potentiel de changer comment et quand le cancer est diagnostiqué. Une application consiste à utiliser une nanoparticule d'or, pas beaucoup plus gros que les biomolécules telles que l'ADN, comme la nanoantenne. Dans ce cas, la rétroaction fournit un moyen d'identifier un biomarqueur unique à un certain type de cellule cancéreuse, et le groupe associe désormais la technique de couplage hybride résonant à de nouvelles méthodes de biochimie pour détecter des molécules d'ARN et d'ADN spécifiques au cancer avec une précision moléculaire unique. Cunningham, et d'autres membres du groupe Nanosensor publieront bientôt un autre article qui se concentre spécifiquement sur les applications de la découverte en ce qui concerne le diagnostic du cancer.

" Lettres nano est un journal très difficile à aborder, " a déclaré Cunningham. "Mais la nouvelle physique de cette recherche et le potentiel d'applications étendues sont ce qui distingue cette recherche. Les prochaines étapes de cette recherche consistent à approfondir les applications potentielles de ce nouveau procédé.