p (PhysOrg.com) - Um microlaser do tamanho de uma picada de agulha pode detectar e contar com precisão os vírus individuais, as partículas que impulsionam a formação de nuvens ou aquelas que contaminam o ar que respiramos. p Um minúsculo laser em forma de donut é a última maravilha da microminiaturização de silício, mas em vez de manipular bits, ele detecta partículas muito pequenas. Pequenas partículas desempenham um papel importante - e amplamente despercebido - em nossa vida cotidiana. Partículas de vírus nos deixam doentes, partículas de sal desencadeiam a formação de nuvens, e as partículas de fuligem penetram profundamente em nossos pulmões e dificultam a respiração.

p O sensor pertence a uma categoria chamada ressonadores de galeria sussurrantes, que funcionam como a famosa galeria de sussurros da Catedral de São Paulo em Londres, onde alguém de um lado da cúpula pode ouvir uma mensagem falada para a parede por alguém do outro lado. Ao contrário da cúpula, que tem ressonâncias ou pontos ideais na faixa audível, o sensor ressoa em frequências de luz.

p A luz que viaja ao redor do micro-laser é perturbada por uma partícula que pousa no anel, mudando a frequência da luz. O anel pode contar o toque de até 800 nanopartículas antes que os sinais comecem a se perder no ruído. Ao estimular mais de um modo no ringue, os cientistas podem verificar a precisão da contagem. E ao mudar o “meio de ganho, ”Eles podem adaptar o sensor para água em vez de ar.

p Lan Yang, PhD, professor assistente de engenharia elétrica e de sistemas na Washington University em St. Louis que lidera a equipe que fabricou o novo sensor, afirma que já existe um grande interesse na sua comercialização em áreas que vão da biologia à ciência dos aerossóis. O sensor é descrito e caracterizado na edição online de 26 de junho da Nature Nanotechnology.

p Ressonador de galeria sussurrante torna-se microlaser

p Um ressonador de galeria sussurrante suporta "modos degenerados de frequência" (modos, ou padrões de excitação no anel, com a mesma frequência, um viajando no sentido horário e o outro no sentido anti-horário ao redor do anel.

p Os campos de modo têm “caudas evanescentes” que penetram na superfície do anel e sondam o meio circundante. Quando uma partícula pousa em um dos "pontos quentes", ela espalha energia de um dos modos para o outro, e os modos adotam frequências de ressonância ligeiramente diferentes. Isso é conhecido como divisão de modo.

p Em um trabalho anterior, A equipe Yang usou o modo de divisão em um anel de vidro simples que funcionava como um guia de ondas para a luz acoplada a ele de fora. Porque o anel era passivo, o laser externo tinha que ser um laser sintonizável caro para que pudesse varrer uma faixa de frequência procurando as ressonâncias do anel para medir a divisão do modo. (Para obter mais informações sobre este sensor, consulte “Sensor minúsculo mede nanopartículas”.)

p O novo sensor difere dos ressonadores de galeria anteriores por ser um laser em miniatura, e não a cavidade ressonante de um laser externo.

p O novo sensor também é de vidro, mas um vidro misturado com átomos de elementos de terras raras que servem como um "meio de ganho". O vidro é dopado com átomos de terras raras e quando uma fonte de luz externa aumenta o suficiente deles para um estado excitado, o anel começa a falhar em sua própria frequência preferida.

p Quando uma partícula pousa no microlaser, uma única linha laser se divide em duas frequências ligeiramente diferentes.

p Uma maneira simples de medir a divisão de frequência é misturar os modos de divisão do laser em um fotodetector, que produz uma “frequência de batida” que corresponde à diferença de frequência.

p “Os minúsculos sensores são produzidos em massa pelo método sol-gel em wafer de silício, e é fácil mudar o meio de ganho ”, diz Lina He, um estudante de graduação e primeiro autor do artigo. "Os ressonadores são feitos pela mistura de íons de terras raras de escolha em uma solução de tetraetoxissilano, água e ácido clorídrico. A solução é aquecida até se tornar viscosa e então revestida por rotação em uma pastilha de silício e recozida para remover solventes e completar a transição para o vidro amorfo. A fina película de vidro é então gravada para criar discos de sílica suportados por baixo por pilares de silício. Como uma etapa final, os discos de sílica ásperos são refluídos em toróides lisos por recozimento a laser. "

p O sensor ativo supera o passivo

p “A luz usada para detecção é gerada dentro do próprio ressonador, e por isso é mais puro do que a luz no sensor passivo, ”Diz Yang“ Quando a luz não é tão pura, você pode não conseguir ver pequenas mudanças de frequência. Mas o sensor ativo atinge uma frequência - tem uma largura de linha realmente estreita - e por isso é muito mais sensível. ”

p O microlaser é ordens de magnitude mais sensível do que o ressonador passivo, ela diz. Seu limite de resolução efetiva é de cerca de um nanômetro. Um nanômetro é para um metro, o que é uma bola de gude para a Terra.

p Além disso, porque o laser agora está no anel em vez de acoplado a ele, todo o sistema é mais simples e independente. “Agora você só precisa de uma fonte de luz para excitar o meio óptico, ”Diz Yang, “E você pode usar um diodo laser barato para isso, em vez de um laser ajustável caro.”

p Detectando muitas partículas

p O efeito de uma partícula em um modo de laser depende da "polarizabilidade da partícula, ”Que é uma função de seu tamanho e índice de refração. Para cobrir as possibilidades, a equipe da Universidade de Washington testou o desempenho do micro-laser com nanopartículas de vários tamanhos feitas de vários materiais, incluindo poliestireno (amendoim de embalagem), vírions (partículas de vírus) e ouro.

p À medida que as partículas entram no "volume de modo" do micro-laser, uma a uma, os cientistas podem ver um salto discreto para cima ou para baixo na frequência de batimento. Cada salto discreto sinaliza a ligação de uma partícula no anel, e o número de saltos reflete o número de partículas.

p Porque o "campo ressonador" prende as partículas no ressonador, uma vez que pousou, raramente caem. Mas a equipe descobriu que era capaz de contar muitas partículas antes que as perdas induzidas pelas partículas tornassem as larguras de linha do laser tão amplas que não pudessem detectar mudanças na divisão de frequência devido à última chegada.

p Por exemplo, eles foram capazes de detectar e contar até 816 nanopartículas de ouro usando o mesmo modo de laser.

p “Quando a ampliação da linha é comparável à mudança na divisão, então você está pronto, ”Diz Yang. “No entanto, todo o ressonador é fabricado no chip, então você pode simplesmente passar para o próximo ressonador, se necessário. ”

p Dobrando para precisão

p O micro-laser pode suportar mais de um modo de laser por vez. “Ao controlar a sobreposição da luz da bomba com o meio de ganho, você pode excitar mais de uma linha de laser, ”Diz Sahin Kaya Ozdemir, PhD, pesquisador associado e coautor. “Então, quando uma partícula pousa no anel, cada linha de laser será dividida em duas, e gerar uma frequência de batimento. Portanto, você terá duas frequências de batida em vez de uma. ”

p Isso é uma vantagem, ele explica, porque a frequência de batimento depende em parte de onde a partícula cai no anel. Se houver apenas uma linha de laser e a partícula cair entre os “pontos quentes”, ela pode não ser detectada. A segunda frequência de batimento evita esses "falsos negativos, ”Garantindo que cada partícula produza uma frequência de batimento detectável.

p Detectando partículas na água

p Os microlasers destinados a detectar partículas no ar foram dopados com érbio, um elemento de terra rara cujas propriedades ópticas combinam bem com as do ar. Em um experimento final projetado para ver se essa técnica poderia ser usada para detectar partículas na água ou no sangue, a equipe fabricou sensores dopados com itérbio em vez de érbio. O itérbio dura em comprimentos de onda com baixa absorção pela água.

p A equipe de Yang já começou a trabalhar para fazer uso da sensibilidade aprimorada fornecida pelo microlaser para estudar vários problemas. Em termos de aplicações, “O uso a curto prazo será o monitoramento de comportamentos dinâmicos de partículas em resposta a mudanças ambientais e químicas na resolução de uma única partícula, ”Diz Yang.

p O próximo passo, o que a equipe vê é projetar a superfície desses minúsculos microlasers para detectar DNA e moléculas biológicas individuais. Se o DNA estiver marcado com nanopartículas projetadas, o sensor micro-laser pode contar moléculas individuais de DNA ou fragmentos de moléculas.

p Ouvindo Yang, é difícil escapar da impressão de que você está ouvindo pela primeira vez sobre um dispositivo surpreendente que um dia será tão onipresente - e provavelmente tão subestimado - quanto as portas lógicas em nossas microondas, telefones celulares e carros.