Новое устройство, созданное специалистами Лаборатории бионанофотонных систем EPFL, объединило в себе передовые нанофотонные технологии и квантовую физику. Так физикам удалось создать сенсор, способный выявлять биомолекулы в минимальных количествах и в реальном времени.
В основе технологии лежит эффект неупругого квантового туннелирования электронов — это редкое явление, при котором электрон, который рассматривается как волна, может преодолеть тонкий изолирующий барьер, одновременно испуская фотон света. Инженеры создали специальную наноструктуру, которая усиливает вероятность этого процесса и позволяет использовать его в качестве внутреннего источника света. Когда электроны проходят через барьер из оксида алюминия к ультратонкому слою золота, они возбуждают коллективные колебания — плазмоны, которые в свою очередь испускают фотоны. Эти фотоны взаимодействуют с молекулами на поверхности сенсора, меняя интенсивность и спектр своего свечения, что позволяет зафиксировать наличие определенных веществ.
В результате экспериментов устройство продемонстрировало способность обнаруживать аминокислоты и полимеры в концентрациях до пикограмма — это одна триллионная доля грамма. Такие показатели делают новый сенсор сопоставимым с самыми передовыми оптическими биосенсорами, но при этом он значительно компактнее и не требует дорогостоящей и громоздкой оптической аппаратуры. Сердцем устройства является метаповерхность из золотых нанопроволок, которая выполняет двойную функцию: она обеспечивает как условия для квантового туннелирования, так и эффективную концентрацию света на наноуровне, необходимую для высокой чувствительности сенсора.
Главное преимущество разработки заключается в ее интеграции: источник света и система его определения совмещены в одном микрочипе. Такая архитектура делает возможным создание портативных, недорогих и энергоэффективных биосенсоров, способных работать непосредственно у постели пациента или в полевых условиях. По словам главы лаборатории Хатидже Алтуг, такое технологическое решение существенно расширяет спектр возможного применения инновационного устройства в диагностике и экологии.
Как отмечает один из соавторов исследования Иван Синев, дальнейшее развитие этой технологии позволит наладить массовое производство миниатюрных сенсоров, пригодных для интеграции в мобильные устройства и носимую электронику. Благодаря использованию стандартных методов микро- и нанофабрикации, разработка легко масштабируется и может быть адаптирована для промышленности. Новый подход к генерации света на базе квантовых эффектов — это шаг к более доступным, точным и универсальным сенсорам будущего.
Ранее физики подтвердили существование неуловимой квантовой спиновой жидкости.