I ricercatori del CIC nanoGUNE BRTA (San Sebastian, Spagna), in collaborazione con il Centro Internazionale di Fisica Donostia (San Sebastián, Spagna) e l'Università di Oviedo (Spagna) hanno utilizzato una tecnica di nanoimaging spettroscopico per studiare come la nanoluce infrarossa, sotto forma di polaritoni fononici, e le vibrazioni molecolari interagiscono tra loro.

Le immagini rivelano che è possibile ottenere un forte accoppiamento vibrazionale, che è un fenomeno che ha recentemente attirato ampia attenzione per il suo potenziale utilizzo per controllare le proprietà fisiche e chimiche fondamentali dei materiali. Il risultato potrebbe portare allo sviluppo di una nuova piattaforma per l'identificazione chimica su chip di piccole quantità di molecole e per studiare gli aspetti fondamentali dei fenomeni di accoppiamento forte su scala nanometrica. Il lavoro è stato pubblicato su Fotonica della natura .

La luce svolge un ruolo essenziale nella scienza e nella tecnologia moderne, con applicazioni che vanno dalla comunicazione ottica veloce alla diagnosi medica e alla chirurgia laser. In molte di queste applicazioni, l'interazione della luce con la materia è di fondamentale importanza.

A frequenze infrarosse, la luce può interagire con le molecole tramite le loro vibrazioni che si verificano a frequenze specifiche della molecola. Per tale motivo, i materiali molecolari possono essere identificati misurando la loro riflessione infrarossa o spettri di trasmissione. Questa tecnica, spesso chiamata spettroscopia di impronte digitali a infrarossi, è ampiamente utilizzato per l'analisi di sostanze chimiche, sostanze biologiche e mediche.

Recentemente, si è scoperto che l'interazione tra luce infrarossa e vibrazioni molecolari può essere così forte che alla fine le proprietà del materiale vengono modificate, come la conduttività e la reattività chimica. Questo effetto, chiamato forte accoppiamento vibrazionale, può verificarsi quando un materiale viene posto in una microcavità (tipicamente formata da specchi separati da distanze micrometriche) in cui è concentrata la luce.

La forza dell'interazione tra luce e materia dipende fortemente dalla quantità di materia. Di conseguenza, l'interazione si indebolisce quando il numero di molecole si riduce, complesse applicazioni di spettroscopia a infrarossi e alla fine impedendo il raggiungimento di un forte accoppiamento vibrazionale. Questo problema può essere superato concentrando la luce in nanocavità o comprimendo la sua lunghezza d'onda, che porta a un leggero confinamento.

"Una compressione particolarmente forte della luce infrarossa può essere ottenuta accoppiandola a vibrazioni reticolari (fononi) di strati sottili di cristalli polari di alta qualità. Questo accoppiamento porta alla formazione di onde infrarosse, i cosiddetti polaritoni fononici, che si propagano lungo il strato di cristallo con una lunghezza d'onda che può essere più di dieci volte inferiore a quella della corrispondente onda luminosa nello spazio libero, "dice Andrei Bylinkin, primo autore dell'opera.

Ora, i ricercatori hanno studiato l'accoppiamento tra le vibrazioni delle molecole e la propagazione dei polaritoni fononici. Primo, hanno posto un sottile strato di nitruro di boro esagonale (meno di 100 nm di spessore) sopra le molecole organiche. Il nitruro di boro esagonale è un cristallo di van der Waals dal quale è possibile ottenere facilmente strati sottili di alta qualità mediante esfoliazione. Prossimo, era necessario generare polaritoni fononici nel sottile strato di nitruro di boro. "Questo non può essere ottenuto semplicemente illuminando la luce infrarossa sullo strato di nitruro di boro, perché la quantità di moto della luce è molto più piccola della quantità di moto dei polaritoni fononici, " dice Andrei Bylinkin.

Il problema del disadattamento del momento è stato risolto con l'aiuto della punta metallica affilata di un microscopio a scansione di campo vicino, che funge da antenna per la luce infrarossa e la concentra in un punto infrarosso su scala nanometrica all'apice della punta che fornisce lo slancio necessario per generare polaritoni fononici. Il microscopio svolge anche un secondo ruolo importante. "Ci ha permesso di visualizzare i polaritoni fononici che si propagano lungo il nitruro di boro mentre interagiscono con le molecole organiche vicine, " dice Rainer Hillenbrand che ha guidato lo studio. "In questo modo abbiamo potuto osservare nello spazio reale come i polaritoni fononici si accoppiano con le vibrazioni molecolari, formando così polaritoni ibridi, " Ha aggiunto.

L'insieme di immagini che sono state registrate a varie frequenze infrarosse attorno alla risonanza delle vibrazioni molecolari ha rivelato vari aspetti fondamentali. I polaritoni ibridi sono fortemente attenuati alla frequenza della vibrazione molecolare, che potrebbe essere interessante per future applicazioni di rilevamento su chip. Le immagini risolte spettralmente hanno anche mostrato che le onde si propagano con velocità di gruppo negativa, e, cosa più importante, che l'accoppiamento tra i polaritoni fononici e le vibrazioni molecolari è così forte da rientrare nel regime dell'accoppiamento vibrazionale forte.

"Con l'aiuto di calcoli elettromagnetici potremmo confermare i nostri risultati sperimentali, e prevedere inoltre che dovrebbe essere possibile un forte accoppiamento anche tra strati spessi di pochi atomi di nitruro di boro e molecole, "dice Alexey Nikitin.

La possibilità di un forte accoppiamento vibrazionale su scala nanometrica estrema potrebbe essere utilizzata in futuro per lo sviluppo di dispositivi di spettroscopia ultrasensibile o per studiare aspetti quantistici di un forte accoppiamento vibrazionale che non sono stati finora accessibili.