Le cavità fotoniche sono una parte essenziale di molti dispositivi ottici moderni, dai puntatori laser ai forni a microonde. Proprio come possiamo immagazzinare l'acqua in un serbatoio e creare onde stazionarie sulla superficie dell'acqua, possiamo confinare la luce in un risonatore fotonico le cui pareti sono fortemente riflettenti. Così come le onde superficiali dell'acqua dipendono dalla geometria della vasca (forma, profondità), modi ottici specifici possono essere creati in una cavità fotonica le cui proprietà (colore e distribuzione spaziale dell'intensità) possono essere regolate modificando le dimensioni della cavità. Quando la dimensione della cavità è molto piccola, molto più piccola della lunghezza d'onda della luce che la confina (nanocavità nel caso della luce visibile), si produce un effetto di intensificazione della luce così forte da influenzare gli elettroni su le pareti della cavità. Viene quindi prodotta una miscela tra fotoni ed elettroni, dando origine a modalità ibride tra luce e materia note come plasmoni.

I plasmoni nelle nanocavità ottiche sono estremamente importanti per molte applicazioni come sensori chimici che consentono il rilevamento di singole molecole, o la fabbricazione di nanolaser che potrebbero funzionare con pochissimo consumo di corrente elettrica. Però, la caratterizzazione di questi modi plasmonici è generalmente molto complessa, a causa delle ridotte dimensioni delle cavità che rendono estremamente difficile l'accesso ad esse da parte di segnali esterni.

D'altra parte, l'effetto tunnel è uno dei più caratteristici, effetti misteriosi e meglio documentati della Meccanica Quantistica. In un processo in galleria, una particella (ad esempio un elettrone) può passare attraverso una barriera stretta (lo spazio che separa due metalli a distanze nanometriche) pur non avendo abbastanza energia per superarla. È come se potessimo passare da una parte all'altra della Grande Muraglia cinese senza doverla scavalcare.

Per quanto incredibile possa sembrare, le particelle del mondo quantistico possono farlo in determinate condizioni. Nella maggior parte di questi processi, l'energia della particella prima e dopo il processo è la stessa. Però, in una piccola frazione di questi eventi, la particella può cedere parte della sua energia, Per esempio, generando luce, che è noto come il processo del tunnel anelastico. Sebbene sia ben noto che le proprietà della luce emessa nel processo di tunnel anelastico tra due metalli dipendono dai modi plasmonici che esistono nella cavità, dipende anche fortemente dalla distribuzione energetica delle particelle che effettuano il processo tunnel.

Fino ad ora, era stato impossibile distinguere univocamente questi due effetti e quindi estrarre le informazioni sui modi plasmonici dall'analisi della luce emessa dall'effetto tunnel.

Ricercatori dell'Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia e IFIMAC hanno sviluppato un metodo per superare questo problema determinando contemporaneamente la distribuzione dell'energia degli elettroni tunnel e la luce emessa in un microscopio a scansione tunnel. Hanno sfruttato l'effetto tunnel per creare risonatori ottici di dimensioni atomiche e per studiarne le proprietà ottiche, svelando per la prima volta i contributi dovuti all'energia delle particelle tunneling dagli effetti originati dai modi plasmonici nella cavità.

Questo lavoro propone una nuova metodologia per la caratterizzazione dell'interazione luce-materia a dimensione atomica, e può avere importanti implicazioni tecnologiche per lo sviluppo di sensori chimici di singole molecole, nuove sorgenti di fotoni o nanolaser singoli o interlacciati attivi a potenze di pompaggio estremamente basse.

La ricerca è stata pubblicata sulla prestigiosa rivista Comunicazioni sulla natura .