Imagine um sensor ambiental portátil que pode testar instantaneamente a presença de chumbo na água, E. coli, e pesticidas ao mesmo tempo, ou um biossensor que pode realizar um hemograma completo com apenas uma gota. Essa é a promessa da interferometria plasmônica em nanoescala, uma técnica que combina nanotecnologia com plasmônica - a interação entre elétrons em um metal e luz.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia da Brown University fizeram um importante avanço fundamental que pode tornar esses dispositivos mais práticos. A equipe de pesquisa desenvolveu uma técnica que elimina a necessidade de fontes de luz externas altamente especializadas que fornecem luz coerente, que a técnica normalmente requer. O avanço pode permitir dispositivos mais versáteis e compactos.

"Sempre foi assumido que a luz coerente era necessária para a interferometria plasmônica, "disse Domenico Pacifici, um professor de engenharia que supervisionou o trabalho com seu pesquisador de pós-doutorado Dongfang Li, e o aluno de pós-graduação Jing Feng. "Mas fomos capazes de refutar essa suposição."

A pesquisa é descrita na Nature Relatórios Científicos .

Os interferômetros plasmônicos utilizam a interação entre a luz e os polaritons plasmônicos de superfície, ondas de densidade criadas quando a energia da luz sacode os elétrons livres em um metal. Um tipo de interferômetro se parece com uma estrutura de olho de boi gravada em uma fina camada de metal. No centro está um orifício feito através da camada de metal com um diâmetro de cerca de 300 nanômetros - cerca de 1, 000 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano. O buraco é circundado por uma série de ranhuras gravadas, com diâmetros de alguns micrômetros. Milhares desses olhos-de-boi podem ser colocados em um chip do tamanho de uma unha.

Quando a luz de uma fonte externa é mostrada na superfície de um interferômetro, alguns dos fótons passam pelo orifício central, enquanto outros estão espalhados pelas ranhuras. Esses fótons espalhados geram plasmons de superfície que se propagam através do metal para dentro em direção ao buraco, onde eles interagem com os fótons que passam pelo buraco. Isso cria um padrão de interferência na luz emitida pelo orifício, que pode ser registrado por um detector sob a superfície do metal.

Quando um líquido é depositado em cima de um interferômetro, a luz e os plasmons de superfície se propagam por esse líquido antes de interferirem um no outro. Isso altera os padrões de interferência captados pelo detector, dependendo da composição química do líquido ou dos compostos nele presentes. Usando diferentes tamanhos de anéis de ranhura ao redor do orifício, os interferômetros podem ser ajustados para detectar a assinatura de compostos ou moléculas específicas. Com a capacidade de colocar muitos interferômetros ajustados de forma diferente em um chip, os engenheiros podem, hipoteticamente, fazer um detector versátil.

Até agora, todos os interferômetros plasmônicos exigiram o uso de fontes de luz externas altamente especializadas que podem fornecer luz coerente - feixes nos quais as ondas de luz são paralelas, têm o mesmo comprimento de onda, e viajar em fase (ou seja, os picos e vales das ondas estão alinhados). Sem fontes de luz coerentes, os interferômetros não podem produzir padrões de interferência utilizáveis. Esses tipos de fontes de luz, Contudo, tendem a ser volumosos, caro, e requerem alinhamento cuidadoso e recalibração periódica para obter uma resposta óptica confiável.

Mas Pacifici e seu grupo descobriram uma maneira de eliminar a necessidade de luz externa coerente. No novo método, átomos emissores de luz fluorescente são integrados diretamente no minúsculo orifício no centro do interferômetro. Uma fonte de luz externa ainda é necessária para excitar os emissores internos, mas não precisa ser uma fonte coerente especializada.

"Este é um conceito totalmente novo para interferometria óptica, "Pacifici disse, "um dispositivo inteiramente novo."

Neste novo dispositivo, luz incoerente mostrada no interferômetro faz com que os átomos fluorescentes dentro do orifício central gerem plasmons de superfície. Esses plasmons se propagam para fora do buraco, ricocheteia nos anéis de ranhura, e se propagam de volta para o buraco depois. Uma vez que um plasmon se propaga de volta, ele interage com o átomo que o liberou, causando uma interferência com o fóton transmitido diretamente. Porque a emissão de um fóton e a geração de um plasmon são indistinguíveis, caminhos alternativos originados do mesmo emissor, o processo é naturalmente coerente e, portanto, pode ocorrer interferência mesmo que os emissores sejam excitados de maneira incoerente.

"O importante aqui é que este é um processo de autointerferência, "Pacifici disse." Não importa que você esteja usando luz incoerente para excitar os emissores, você ainda tem um processo coerente. "

Além de eliminar a necessidade de fontes de luz externas especializadas, a abordagem tem várias vantagens, Pacifici disse. Como os plasmons de superfície saem do buraco e voltam, eles sondam a amostra no topo da superfície do interferômetro duas vezes. Isso torna o dispositivo mais sensível.

Mas essa não é a única vantagem. No novo dispositivo, a luz externa pode ser projetada por baixo da superfície de metal que contém os interferômetros, em vez de por cima. Isso elimina a necessidade de arquiteturas de iluminação complexas no topo da superfície de detecção, o que poderia facilitar a integração em dispositivos compactos.

Os emissores de luz embutidos também eliminam a necessidade de controlar a quantidade de líquido de amostra depositado na superfície do interferômetro. Grandes gotas de líquido podem causar efeitos de lente, uma curvatura da luz que pode embaralhar os resultados do interferômetro. A maioria dos sensores plasmônicos usa minúsculos canais microfluídicos para fornecer uma fina película de líquido para evitar problemas de lente. Mas com os emissores de luz internos excitados da superfície inferior, a luz externa nunca entra em contato com a amostra, então os efeitos de lente são negados, assim como a necessidade de microfluídica.

Finalmente, os emissores internos produzem uma luz de baixa intensidade. Isso é bom para sondar amostras delicadas, como proteínas, do que pode ser danificado pela luz de alta intensidade.

É necessário mais trabalho para tirar o sistema do laboratório e colocá-lo nos dispositivos, e Pacifici e sua equipe planejam continuar a refinar a ideia. A próxima etapa será tentar eliminar totalmente a fonte de luz externa. Pode ser possível, os pesquisadores dizem, para, eventualmente, excitar os emissores internos usando minúsculas linhas de fibra óptica, ou talvez corrente elétrica.

Ainda, esta prova de conceito inicial é promissora, Pacifici disse.

"De um ponto de vista fundamental, achamos que este novo dispositivo representa um avanço significativo, " ele disse, "uma primeira demonstração de interferometria plasmônica com luz incoerente".