Biosensing with free space whispering gallery mode microlasers

Highly accurate biosensors for few or single molecule detection play a central role in numerous key fields, such as healthcare and environmental monitoring. In the last decade, laser biosensors have been investigated as proofs of concept, and several technologies have been proposed. We here propose a demonstration of polymeric whispering gallery microlasers as biosensors for detecting small amounts of proteins down to 400 pg. They have the advantage of working in free space without any need for waveguiding for input excitation or output signal detection. The photonic microsensors can be easily patterned on microscope slides and operate in air and solution. We estimate the limit of detection up to 148 nm/RIU for three different protein dispersions. In addition, the sensing ability of passive spherical resonators in the presence of dielectric nanoparticles that mimic proteins is described by massive ab initio numerical simulations.

https://doi.org/10.1364/PRJ.477139

Observation of terahertz transition from Fano resonances to bound states in the continuum

Bound states in the continuum (BIC) in metamaterials have recently attracted attention for their promising applications in photonics. Here, we investigate the transition from Fano resonances to BIC, at terahertz (THz) frequencies, of a one-dimensional photonic crystal slab made of rectangular dielectric rods. Simulations performed by an analytical exact solution of the Maxwell equations showed that symmetry-protected, high-quality factor (Q), BIC emerge at normal incidence. For non-normal incidence, BIC couple with the freely propagating waves and appear in the scattering field as a Fano resonance. Simulations were verified by realizing the photonic crystal slab by 3D-printing technique. THz time-domain spectroscopy measurements as a function of the incidence angle matched the simulation to good accuracy and confirmed the evolution of Fano resonances to high-Q resonances typical of BIC. These results point out the design of highly sensitive and low-cost THz devices for sensing for a wide range of applications.

https://doi.org/10.1364/OL.486226

Press release Supervised Single-shot Polarimetry (ITA)

https://www.uniroma1.it/it/notizia/rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-lintelligenza-artificiale

https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/11856/rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-l-intelligenza-artificiale

Ricercatori dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche e della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un polarimetro “intelligente” ultra-veloce e super-compatto che permette di utilizzare la polarizzazione della luce per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura, dei sensori fotonici e della medicina. Lo strumento è descritto in un articolo su Nature Communications

Ricercatori dell’Istituto dei Sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Isc) e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un innovativo strumento che permette di “vedere” tramite la polarizzazione, e utilizzare tale proprietà per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura su grande distanza, dei sensori fotonici con funzionalità aumentate, e nuovi strumenti per la medicina. 

La polarizzazione, assieme alla frequenza e all’intensità, è una delle tre proprietà fondamentali delle onde elettromagnetiche. Mentre le ultime due si manifestano ogni giorno tramite i colori e la brillantezza di una moltitudine di sorgenti di luce diverse quali led, microonde e laser, la polarizzazione della luce è meno conosciuta. I nostri occhi non sono sensibili a questa proprietà – che indica la direzione di oscillazione del campo ottico – e non ci accorgiamo, pertanto, di come essa sia alla base del funzionamento di oggetti di uso comune, come i display. Vedere tramite la polarizzazione permette di rilevare oggetti apparentemente invisibili in condizioni di scarsissima visibilità, e di scoprire dettagli che sono nascosti nelle normali fotografie. Inoltre, in applicazioni quali la visione digitale permette di osservare caratteristiche fisiche dei materiali nascoste – come tensioni, torsioni ed imperfezioni superficiali – e svolge un ruolo chiave nel settore dell’informazione quantistica.

Lo strumento sviluppato da Davide Pierangeli e Claudio Conti, rispettivamente dell’Istituto dei sistemi complessi del Cnr e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma supera il limite dell’assenza, fino ad oggi, di metodi e strumenti compatti per ottenere immagini in polarizzazione in modo ultraveloce: gli attuali rivelatori, infatti – i cosiddetti polarimetri – utilizzano molte misurazioni tramite apparati ottici costosi e voluminosi.

In particolare, il dispositivo realizzato è innovativo in quanto permette di misurare molte polarizzazioni in un singolo “shot”, basandosi sull’intelligenza artificiale. Inoltre, non necessita dei componenti ottici convenzionali di polarizzazione.

“Rivelare la così detta «terza dimensione della luce» in modo efficiente è una sfida centrale per la fotonica”, spiega Davide Pierangeli (Cnr-Isc). “La nostra idea è stata quella di rivelare la polarizzazione misurando un’altra proprietà fisica apparentemente non collegata ad essa, cioè la distribuzione d’intensità ottica che viene prodotta da un chip disordinato, e da questa tramite tecniche di apprendimento automatico estrarre l’informazione sulle molte polarizzazioni codificate nel fascio laser”.

“Il nostro studio dimostra un rivelatore di polarizzazione smart basato su intelligenza artificiale con funzionalità attualmente non ottenibili in strumenti convenzionali”, continua Claudio Conti (Sapienza Università di Roma). “Questo apre le porte alla comunicazione ottica sicura, a nuovi strumenti per la medicina e la guida autonoma”. 

Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre importanti prospettive per l’applicazione della luce polarizzata strutturata nella comunicazione ottica, nell’imaging, e nella computazione.

https://www.lescienze.it/news/2023/04/12/news/rivelare_la_terza_dimensione_della_luce_con_lintelligenza_artificiale-11809616/

https://www.9colonne.it/407074/cnr-rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-l-intelligenza-artificiale-1#.ZDfc5tLOMUE

https://www.fmag.it/2023/04/12/polarizzazione-immagini-svelata-ia-ricerca/

https://www.notizie.today/post/rivelare-la-terza-dimensione-della-luce-con-l-intelligenza-artificiale-873890.html

Riferimenti: 

Single-shot polarimetry of vector beams by supervised learning – Davide Pierangeli & Claudio Conti – Nature Communications (2023) https://doi.org/10.1038/s41467-023-37474-0

Parisi Nobel lecture mentioning our experiments

This is the extended version of the Giorgio Parisi Nobel lecture mentioning our experiments in nonlinear optics and random laser with the first observation of Replica Symmetry Breaking

https://arxiv.org/abs/2304.00580

See also Coloquio at the University of Pernambuco on youtube

See also Observation of replica symmetry breaking in disordered nonlinear wave propagation

See also The Experimental Observation of Replica Symmetry Breaking in Random Lasers