Терагерцовое излучение — перспективный инструмент для медицинской диагностики и экологического мониторинга. Оно безопасно для человека, способно проникать сквозь непрозрачные материалы и взаимодействовать с колебаниями крупных органических молекул. Однако существующие терагерцовые датчики обладают недостатками: низкой чувствительностью, из-за которой не могут уловить малые изменения в концентрации вещества, и низкой избирательностью, из-за которой сенсор плохо различает разные виды молекул. Так происходит, потому что длина терагерцовой волны в разы больше, чем размер молекул: волна «не замечает» частицу, и свет с веществом взаимодействуют очень слабо.
Ученые из ИТМО, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Харбинского политехнического университета (Китай) предложили дизайн терагерцового сенсора, который способен «запирать» свет внутри и за счет этого увеличивать силу его взаимодействия с веществом. Система состоит из метаповерхности из полосок графена, микрорезонатора и золотого отражающего слоя. Вместе они создают условия, при которых терагерцовое излучение практически не отражается от структуры и его энергия эффективно концентрируется внутри микрорезонатора, где находится исследуемое вещество.
При облучении этой структуры терагерцовой волной возникает особое явление — резонанс Фано с характерной асимметричной формой линии поглощения. В результате система позволяет усилить взаимодействие света и вещества: внешняя утечка излучения уравновешивается внутренними потерями, отражение падает практически до нуля, а поглощение достигает максимума. Свет не отражается и не рассеивается — он полностью поглощается анализируемым веществом, когда многократно проходит через структуру сенсора.
Конструкция сверхчувствительного терагерцового сенсора, предложенная учеными ИТМО. Иллюстрация предоставлена авторами статьи
Еще одно преимущество предложенной системы — возможность электрической настройки. При изменении напряжения на графеновой метаповерхности можно управлять параметрами резонанса и подстраивать работу сенсора под разные условия, сохраняя его высокую чувствительность.
В дальнейшем авторы планируют изготовить реальный сенсор и адаптировать платформу для распознавания хиральных молекул — соединений, которые имеют две зеркально симметричные формы. Хотя их химический состав одинаков, такие формы могут по-разному взаимодействовать с организмом: одна может обладать лечебным эффектом, а другая — оказаться неэффективной или даже токсичной. Поэтому умение различать их особенно важно для фармакологии.
«Мы предполагаем, что предложенный нами дизайн сенсора позволит создать устройство в разы чувствительнее к изменениям состава среды, чем существующие аналоги. Такая разработка будет реагировать на малейшие сдвиги показателя преломления — например, на появление следовых количеств молекул глюкозы, белков, вирусов или токсинов в жидкости», — рассказал один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Рыбин.
Михаил Рыбин. Фото: Павел Кирильцев
Разработка подобных сенсоров будет полезна для определения раковых клеток и вирусов прямо в биопсии без окрашивания биологического материала и сложной подготовки; выявления микродоз пестицидов, гербицидов или промышленных загрязнителей в воде, а также для контроля качества в фармацевтике и пищевой промышленности при анализе жидких сред.
Работа поддержана Российским научным фондом, Национальным научным фондом Китая и Программой постдоков Китая.
