Fabricación y operación de una banda transportadora nano-óptica

Capture, el interrogatorio y la manipulación de nanopartículas individuales son de creciente importancia en la nanotecnología. Las pinzas ópticas han convertido en una técnica de manipulación particularmente exitoso para experimentos en biología molecular ^1-4 química ^{5-7 y} nano-ensamblaje ^7-10 donde han permitido experimentos innovadores tales como la medición de las propiedades mecánicas de las moléculas de ADN ^individuales 4 y la clasificación de células por sus propiedades ópticas ^11,12. Descubrimientos sobre estas fronteras se abren el estudio de sistemas aún más pequeños, y dar paso a la ingeniería de nuevos productos y técnicas prácticamente beneficiosos. A su vez, esta tendencia impulsa la necesidad de nuevas técnicas para manipular partículas más pequeñas y rudimentarias. Además, hay un empuje para construir dispositivos "lab-on-a-chip 'para llevar a cabo estas funciones de forma más barata y en un paquete más pequeño para traer pruebas químicas y biológicas dellaboratorio y en el campo para médicos y otros fines ^13,14.

Desafortunadamente, atrapamiento óptico convencional (COT) no puede satisfacer todas las demandas crecientes de la nanotecnología. COT opera sobre el mecanismo de utilizar una alta apertura numérica (NA) de lente de objetivo para llevar la luz láser a un foco apretado, creando un pico localizado en intensidad óptica y los altos gradientes en la energía del campo electromagnético. Estos gradientes de densidad de energía ejercen una fuerza neta sobre las partículas de dispersión de luz que en general los lleva hacia el centro del foco. Atrapando partículas más pequeñas requiere mayor potencia óptica o un enfoque más ajustado. Sin embargo, los rayos de luz enfocado obedecen el principio de difracción, lo que limita el tamaño mínimo del punto focal y coloca un límite superior en el gradiente de densidad de energía. Esto tiene dos consecuencias inmediatas: COT no pueden atrapar pequeños objetos de manera eficiente, y COT tiene problemas para discriminar entre partículas muy próximas entre sí, una resolución de capturalimitación conoce como el problema de los "dedos gordos. Además, la aplicación de captura de partículas múltiples con COT requiere que los sistemas de la óptica de dirección del haz o moduladores espaciales de luz, componentes que aumentan drásticamente el costo y la complejidad de un sistema de captura óptica.

Una forma de sortear las limitaciones fundamentales de los haces enfocados convencionales de luz, dijo para propagar en el campo lejano, es en lugar de explotar los gradientes de energía electromagnética óptico en el campo cercano. El campo cercano decae exponencialmente alejado de fuentes de campos electromagnéticos, lo que significa que no sólo es muy localizada a estas fuentes, pero también exhibe muy altos gradientes en su densidad de energía. Los cerca de campos de resonadores nano-metálicos, tales como aberturas bowtie, pilares nano, y grabados en forma de C, se ha demostrado que presentan concentraciones extraordinarias de energía electromagnética, reforzada por la acción plasmónica de oro y plata en casi infrlongitudes de onda ARED y ópticas. Estos resonadores se han utilizado para atrapar partículas extremadamente pequeñas con alta eficiencia y resolución de ^{15-22 de.} Si bien esta técnica ha demostrado ser eficaz para atrapar las partículas pequeñas, también ha demostrado ser limitado en su capacidad de transportar partículas sobre el rango apreciable, lo cual es necesario si los sistemas de campo cercano son para interconectar con sistemas de campo lejano o microfluídica.

Recientemente, nuestro grupo ha propuesto una solución a este problema. Cuando resonadores se colocan muy juntos, una partícula puede migrar, en principio, de una trampa óptica de campo cercano a la siguiente sin ser liberado de la superficie. La dirección de transporte se puede determinar si las trampas adyacentes se pueden activar y desactivar por separado. Una disposición lineal de tres o más resonadores direccionables, en el que cada resonador es sensible a una polarización o longitud de onda de luz diferente de la de sus vecinos, funciona como una cinta transportadora óptico, el transporte de nanopartiCiclos de más de una distancia de varias micras en un chip.

El llamado 'nano-óptica Cinta transportadora' (NOCB) es único entre los esquemas de captura resonador plasmónicas, ya que no sólo puede contener partículas en el lugar, pero también puede moverlos a alta velocidad a lo largo de pistas estampadas, recoger o dispersar partículas, mezclar y hacer cola, e incluso ordenarlos por propiedades tales como su movilidad ^23. Todas estas funciones se controlan mediante la modulación de la polarización o longitud de onda de la iluminación, sin necesidad de óptica de dirección del haz. Como una trampa óptica de campo cercano, la NOCB atrapando resolución es mayor que la de trampas ópticas enfocada de haz convencionales, por lo que puede diferenciar entre partículas en las proximidades; porque utiliza una nanoestructura de metal para concentrar la luz en un atrapando así, es de bajo consumo, y no requiere de componentes ópticos caros, como un alto objetivo NA. Además, muchos NOCBs pueden funcionar en paralelo, a alta den embalajesidad, en el mismo sustrato, y 1 W de potencia puede pasar por encima de las aberturas ²³ 1200.

Hemos demostrado recientemente la primera NOCB polarización impulsada, sin problemas propulsar una nanopartícula de ida y vuelta a lo largo de una pista ²⁴ 4.5 micras. En este artículo se presentan los pasos necesarios para diseñar y fabricar el dispositivo, ópticamente activarlo y reproducimos el experimento transporte. Esperamos que lo que esta técnica más ampliamente disponibles ayudará a cerrar la brecha de tamaño entre la óptica de microfluidos, campo lejano y dispositivos a nanoescala y experimentos.