« On considère un électron comme une onde, plutôt que comme une particule, cette onde a une faible probabilité de transition par effet de tunnel de l’autre côté d’une barrière isolante extrêmement mince tout en émettant un photon de lumière. Nous avons créé une nano-structure qui à la fois fait partie de cette barrière isolante et augmente la probabilité d’émission de lumière», explique Mikhail Masharin, chercheur au Laboratoire de systèmes bionanophotoniques.

Détection du trillionième de gramme

La conception de la nanostructure crée les conditions pour qu’un électron traverse une barrière d’oxyde d’aluminium et arrive à une couche d’or ultra-mince. L’électron transfère une partie de son énergie à une excitation collective appelée plasmon, qui émet un photon. Cette conception garantit que l’intensité et le spectre de cette lumière changent en réponse au contact avec des biomolécules, ce qui donne une méthode performante pour une détection extrêmement sensible, en temps réel et sans marqueur.

«Les tests ont montré que notre biocapteur auto-éclairant peut détecter les acides aminés et les polymères à des concentrations de l’ordre du picogramme – soit un trillionième de gramme – rivalisant avec les capteurs les plus avancés disponibles aujourd’hui», indique Hatice Altug, responsable du Laboratoire de systèmes bionanophotoniques. Ces travaux ont été publiés dans Nature Photonics en collaboration avec des scientifiques de l’ETH Zurich, de l’ICFO (Espagne) et de l’Université Yonsei (Corée).

Une métasurface à double usage

Au cœur de l’innovation :  une double fonctionnalité: la couche d’or de la nanostructure est une métasurface, elle présente des propriétés qui créent les conditions d’un tunnel quantique et commandent l’émission lumineuse qui en résulte. Cette commande est permise grâce à la disposition de la métasurface en un maillage de nanofils d’or, qui agissent comme des «nanoantennes» pour concentrer la lumière aux volumes nanométriques requis pour détecter efficacement les biomolécules.

«Le tunnel inélastique des électrons est un processus à très faible probabilité, mais si vous avez un processus à faible probabilité qui se produit uniformément sur une très grande surface, vous pouvez toujours collecter suffisamment de photons. C’est là que nous avons concentré notre optimisation, et cela s’avère être une nouvelle stratégie très prometteuse pour la biodétection», explique Jihye Lee, principale autrice et ancienne chercheuse au Laboratoire de systèmes bionanophotoniques aujourd’hui ingénieure chez Samsung Electronics.

«Notre travail fournit un capteur entièrement intégré qui combine la génération de lumière et la détection sur une seule puce. Avec des applications potentielles allant des diagnostics hors laboratoire à la détection des contaminants environnementaux, cette technologie repousse les limites en matière de systèmes de détection haute performance», résume Ivan Sinev, chercheur au Laboratoire de systèmes bionanophotoniques.