W ostatnich latach świat nanofotoniki odnotował niezwykły postęp, szczególnie w rozwoju czujników zdolnych do wykrywania drobnych zmian w swoim otoczeniu. Czujniki plazmoniczne, które wykorzystują interakcję światła z nanostrukturami metalicznymi i mogą rejestrować zmiany w skali pojedynczych cząsteczek, są szczególnie cenione ze względu na ich zdolność do wykrywania niezwykle małych zmian w swoim otoczeniu. Stają się coraz ważniejsze w różnych dziedzinach, od diagnostyki medycznej po bezpieczeństwo żywności i monitorowanie środowiska, oferując wszechstronną platformę, która może reagować na nawet najmniejsze zmiany współczynnika załamania światła, który jest miarą tego, jak światło załamuje się, gdy przechodzi przez różne materiały.
Badania prowadzili dr Reza Kohandani i dr Simarjeet Saini z Uniwersytetu Waterloo. Ich badanie, opublikowane w Scientific Reports, przedstawia czujnik oparty na dwuwymiarowych nanosiatkach złota, które są maleńkimi wzorami okresowymi, które mogą manipulować światłem z dużą precyzją. Urządzenie jest zoptymalizowane do wykrywania subtelnych zmian współczynnika załamania światła w środowiskach podobnych do wody, z unikalną wbudowaną funkcją, która koryguje błędy spowodowane wahaniami temperatury.
Odkryto, że czujnik może wykrywać niezwykle małe zmiany warunków otoczenia z imponującą dokładnością. Co ważne, dzięki zastosowaniu specjalnego trybu referencyjnego odizolowanego od zakłóceń otoczenia rozdzielczość czujnika poprawiła się ponad trzykrotnie. Dzięki temu jest on szczególnie przydatny w scenariuszach, w których czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura lub wibracje, mogłyby w przeciwnym razie zniekształcić pomiary. W tym kontekście samoodniesienie oznacza, że czujnik wykorzystuje wewnętrzny sygnał odniesienia w celu wyeliminowania niepożądanych zakłóceń z otoczenia. Jak wyjaśnił dr Kohandani, „dzięki włączeniu trybu samoodniesienia do pomiarów czułości rozdzielczość czujnika można poprawić ponad trzykrotnie”. Takie podejście skutecznie redukuje szum w danych, umożliwiając czujnikowi osiągnięcie bardziej spójnych wyników w miarę upływu czasu.
Innowacja polega nie tylko na zwiększonej precyzji, ale także na prostocie produkcji. W przeciwieństwie do wcześniejszych projektów, które wymagały złożonej, wieloetapowej nanofabrykacji, ten czujnik został wyprodukowany w jednym etapie litografii, co oznacza, że wzór tworzono w jednym etapie, a nie w kilku, co ułatwiło i tańsze w produkcji. Co więcej, niezależność od polaryzacji i możliwość pracy niezależnie od orientacji pola elektrycznego światła, zwiększa jego praktyczność w zastosowaniu w świecie rzeczywistym.
Poza osiągnięciami technicznymi, implikacje są szerokie. Czujniki plazmoniczne o wysokiej czułości mogą potencjalnie ulepszyć diagnostykę medyczną poprzez wykrywanie biomarkerów, które są biologicznymi sygnałami choroby, w bardzo niskich stężeniach. W zakresie bezpieczeństwa żywności mogą zidentyfikować zanieczyszczenia, zanim dotrą do konsumentów. Monitorowanie środowiska również mogłoby odnieść korzyści z takiej technologii, szczególnie w przypadku śledzenia substancji zanieczyszczających lub wycieków substancji chemicznych w systemach wodnych.
Dr Kohandani i dr Saini podkreślili obietnicę pracy, stwierdzając: „To pierwsza demonstracja samoodnoszącego się czujnika plazmonowego o wysokiej czułości z dobrze zdefiniowanym trybem odniesienia”. Takie postępy mogą utorować drogę nowej generacji przenośnych, niezawodnych i opłacalnych platform czujnikowych zdolnych do działania w dynamicznych i trudnych warunkach.
Odniesienie do czasopisma
Kohandani R., Saini S. „Samoodnoszący się powierzchniowy czujnik plazmonowy do poprawy rozdzielczości.” Raporty naukowe, 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-93102-5
O Autorach
Profesor Saini dołączył do Uniwersytetu Waterloo we wrześniu 2007 roku jako adiunkt. Otrzymał tytuł B.Tech. (z wyróżnieniem) w Indyjskim Instytucie Technologii w Kharagpur (1996) i uzyskał stopień doktora. na Uniwersytecie Maryland w College Park (2001). Jego doktorat Praca magisterska dotyczyła projektowania i rozwoju nowej platformy technologicznej do monolitycznej integracji urządzeń fotonicznych o nazwie Passive Active Resonant Coupler (PARC). Powstała technologia doprowadziła do założenia start-upu Covega Corporation, w którym profesor Saini pracował jako główny inżynier urządzeń optoelektronicznych od grudnia 2000 r. do października 2004 r. oraz jako główny inżynier ds. zastosowań od października 2005 r. do września 2007 r. Kierował projektowaniem i rozwojem Singiel Covegi pod kątem chipy fasetowe, półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne i lasery dużej mocy.
W sierpniu 2004 r. profesor Saini był współzałożycielem Altanet Communications – firmy typu start-up skupiającej się na sieciach metropolitalnych opartych na sieci Ethernet z czasem przywracania krótszym niż pięć ms, wykorzystującej inteligencję w dziedzinie optyki. Od października 2004 r. do września 2005 r. Saini odbył staż podoktorski na Uniwersytecie Maryland, gdzie pracował nad czujnikami biochemicznymi i optycznym routingiem pakietów.
Reza Kohandani uzyskał stopień doktora w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Waterloo w 2024 r. Jego badania doktoranckie skupiały się na nanofotonice, ze szczególnym naciskiem na projektowanie, wytwarzanie i charakteryzację nanostruktur fotonicznych do zastosowań w czujnikach biochemicznych. Obecnie jest stażystą podoktorskim w Instytucie Obliczeń Kwantowych (IQC) na Uniwersytecie Waterloo, gdzie od ponad roku pracuje nad projektowaniem i wytwarzaniem kubitów nadprzewodzących. Dzięki ponad pięcioletniemu doświadczeniu w środowiskach pomieszczeń czystych oraz w mikro/nanofabrykacji urządzeń fotonicznych i kwantowych dr Kohandani wnosi silną interdyscyplinarną wiedzę specjalistyczną w dziedzinie nanofotoniki i technologii kwantowych.
