L'interazione della luce con la materia è alla base della spettroscopia, un insieme di tecniche che sono alla base della fisica e della chimica. Dalla luce infrarossa ai raggi X, un'ampia gamma di lunghezze d'onda viene utilizzata per stimolare le vibrazioni, transizioni elettroniche, e altri processi, sondando così il mondo degli atomi e delle molecole.

Però, una forma di luce meno utilizzata è la regione dei terahertz (THz). Sdraiato sullo spettro elettromagnetico tra infrarossi e microonde, La radiazione THz ha la giusta frequenza (circa 10 ¹² Hz) per eccitare le vibrazioni molecolari. Sfortunatamente, la sua lunghezza d'onda lunga (centinaia di micrometri) è di circa 100, 000 volte la dimensione molecolare tipica, rendendo impossibile focalizzare i raggi THz su una singola molecola mediante l'ottica convenzionale. Possono essere studiati solo grandi insiemi di molecole.

Recentemente, un team guidato dall'Istituto di scienze industriali (IIS) dell'Università di Tokyo ha trovato un modo per aggirare questo problema. In uno studio in Fotonica della natura , hanno dimostrato che la radiazione THz può effettivamente rilevare il movimento delle singole molecole, superamento del limite classico di diffrazione per la focalizzazione dei fasci luminosi. Infatti, il metodo era abbastanza sensibile da misurare il tunneling di un singolo elettrone.

Il team di IIS ha presentato un progetto su scala nanometrica noto come transistor a molecola singola. Due elettrodi metallici adiacenti, la sorgente e il pozzo del transistor, sono posti su un sottile wafer di silicio a forma di "papillon". Quindi, singole molecole, in questo caso C60, aka fullerene-sono depositati negli spazi sub-nanometrici tra la sorgente e lo scarico. Gli elettrodi agiscono come antenne per focalizzare strettamente il fascio THz sui fullereni isolati.

"I fullereni assorbono la radiazione THz focalizzata, facendoli oscillare attorno al loro baricentro, " spiega il primo autore dello studio Shaoqing Du. "L'oscillazione molecolare ultraveloce aumenta la corrente elettrica nel transistor, oltre alla sua conduttività intrinseca." Sebbene questo cambiamento di corrente sia minuscolo, dell'ordine dei femto-ampere (fA), può essere misurato con precisione con gli stessi elettrodi usati per intrappolare le molecole. In questo modo, sono stati tracciati due picchi vibrazionali a circa 0,5 e 1 THz.

Infatti, la misura è sufficientemente sensibile da misurare una leggera suddivisione dei picchi di assorbimento, causato dall'aggiunta o dalla sottrazione di un solo elettrone. Quando C60 oscilla su una superficie metallica, il suo quanto vibrazionale (vibron) può essere assorbito da un elettrone nell'elettrodo metallico. Così stimolato, l'elettrone si incanala nella molecola C60. Il risultante C60 . caricato negativamente ^- la molecola vibra a una frequenza leggermente inferiore rispetto al C60 neutro, assorbendo così una diversa frequenza di radiazione THz.

Oltre a fornire un assaggio del tunneling, lo studio dimostra un metodo pratico per ottenere informazioni elettroniche e vibroniche su molecole che assorbono solo debolmente i fotoni THz. Questo potrebbe aprire l'uso più ampio della spettroscopia THz, un metodo sottosviluppato che è complementare alla spettroscopia a luce visibile e a raggi X, e di grande rilevanza per la nanoelettronica e l'informatica quantistica.