Uno studio pubblicato su Luce:scienza e applicazioni apre nuove strade per studi fondamentali sull'accoppiamento vibrazionale forte, nonché per lo sviluppo di nuovi sensori a infrarossi per il riconoscimento chimico di quantità molto piccole di molecole. L'interazione di luce e materia su scala nanometrica è un elemento chiave per molti studi fondamentali e applicazioni tecnologiche, che vanno dalla raccolta della luce alla rilevazione di piccole quantità di molecole.

Negli ultimi decenni, molte strategie sono state implementate per migliorare le interazioni luce-materia su scala nanometrica. Un approccio si basa sulla concentrazione della luce con l'aiuto della propagazione e della localizzazione dei polaritoni plasmonici superficiali, che sono oscillazioni elettroniche collettive in metalli o semiconduttori accoppiati alla luce. Queste eccitazioni elettromagnetiche possono concentrare la luce in punti su scala nanometrica, cosiddetti hotspot. Alle frequenze del medio infrarosso, consentono il rilevamento di piccole quantità di molecole. Questo metodo è chiamato spettroscopia di assorbimento infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRA). Però, le tipiche strutture plasmoniche del medio infrarosso soffrono di grandi perdite e non raggiungono la massima concentrazione di luce.

Un approccio interessante ma molto meno esplorato per migliorare l'interazione luce-materia su scala nanometrica si basa su materiali infrarossi-fononici, in cui la luce si accoppia alle vibrazioni del reticolo cristallino per formare i cosiddetti polaritoni fononici. "I risonatori fono-polaritoni offrono perdite e confinamento del campo molto inferiori rispetto alle loro controparti plasmoniche nel medio infrarosso. Per questo motivo, abbiamo deciso di sviluppare e applicare risonatori fononici infrarossi per migliorare l'accoppiamento della luce infrarossa alle vibrazioni molecolari, " dice la postdoc Marta Autore, primo autore del saggio.

Al fine di sviluppare un metodo di SEIRA fononico, i ricercatori hanno fabbricato una serie di array di nastri fatti di scaglie di nitruro di boro esagonale (h-BN). Mediante spettroscopia di trasmissione a infrarossi, hanno osservato strette risonanze di polaritoni fononici. Quindi, hanno depositato sui nastri sottili strati di una molecola organica. Ha portato a una forte modifica della risonanza polaritonica fononica, che potrebbe essere utilizzato per rilevare quantità ultra-piccole di molecole (N <10 ^-15 mol) che non erano rilevabili quando depositati su substrati convenzionali.

"Interessante, quando abbiamo depositato strati più spessi di molecole sui nastri, abbiamo osservato una scissione della risonanza polaritonica fononica. Questa è una tipica firma di un fenomeno noto come accoppiamento forte. In questo regime, l'interazione di luce e materia è così forte che fenomeni eccitanti come la modifica delle reazioni chimiche, può verificarsi la condensazione del polaritone o il trasferimento di energia a lungo raggio e ultraveloce, "dice Rainer Hillenbrand, capogruppo di nanoGUNE che ha guidato il lavoro. "Nel futuro, vogliamo dare un'occhiata più da vicino all'accoppiamento forte potenziato dai fononi e cosa potremmo fare con esso."

I risultati mostrano il potenziale dei risonatori polaritoni fononici per diventare una nuova piattaforma per il rilevamento nel medio infrarosso di quantità ultra-piccole di materiali e per esplorare un forte accoppiamento su scala nanometrica, aprendo la strada a futuri studi fondamentali di fenomeni quantistici o applicazioni come la modifica locale della forza del legame chimico e la catalisi selettiva su scala nanometrica.