Quando le molecole sono eccitate, possono dar luogo a svariati fenomeni di conversione energetica, come l'emissione di luce e la conversione fotoelettrica o fotochimica. Per sbloccare nuove funzioni di conversione dell'energia nei materiali organici, i ricercatori dovrebbero essere in grado di comprendere la natura dello stato eccitato di un materiale e controllarlo.

Finora, molti scienziati hanno utilizzato tecniche di spettroscopia basate sulla luce laser nella ricerca incentrata sugli stati eccitati. Ciò nonostante, non erano in grado di utilizzare la luce laser per esaminare materiali su scala nanometrica, a causa dei suoi limiti nella cosiddetta diffrazione. I metodi di misura spettroscopici applicati ai microscopi elettronici ea sonda a scansione in grado di osservare sostanze con risoluzioni atomiche, d'altra parte, sono ancora sottosviluppati.

Ricercatori presso RIKEN, l'Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia (JST), L'Università di Tokyo e altri istituti in Giappone hanno recentemente sviluppato una tecnica di nanospettroscopia laser che potrebbe essere utilizzata per esaminare singole molecole. Questa tecnica, presentato in un articolo pubblicato in Scienza , potrebbe aprire nuove possibilità per lo sviluppo di varie nuove tecnologie, compresi diodi emettitori di luce (LED), celle fotovoltaiche e fotosintetiche.

"È molto difficile osservare le sostanze a livello atomico e indagare direttamente le proprietà dello stato eccitato delle sostanze, che è stato uno degli ostacoli nella ricerca sulla conversione energetica, "Hiroshi Imada, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "In questa ricerca, combiniamo la microscopia a effetto tunnel (STM) con una spettroscopia laser per ottenere allo stesso tempo un'elevata risoluzione spaziale ed energetica, e con ciò potremmo svelare la natura delle molecole con una precisione senza precedenti".

La tecnica sviluppata da Imada e dai suoi colleghi utilizza la luce laser per guidare il campo elettromagnetico di un plasmone localizzato formato nello spazio su scala nanometrica tra la punta STM e il substrato metallico a una frequenza ben definita determinata dall'energia laser. La dimensione laterale del campo plasmonico è di circa 2 nm di diametro e inferiore di due ordini di grandezza rispetto al punto luminoso minimo nell'ottica convenzionale. Questo campo serve come un monocromatico su scala nanometrica, sorgente di eccitazione sintonizzabile e mobile.

"Il punto chiave della nostra ricerca è che la frequenza del plasmone guidato è sintonizzabile sintonizzando la luce laser che irradia esternamente, " ha detto Imada. "Il campo plasmonico sintonizzato con precisione sulla risonanza molecolare si è rivelato molto efficace per eccitare la singola molecola sotto l'osservazione STM, che ci ha permesso di eseguire la nanospettroscopia con una risoluzione di energia di microelettronvolt."

Mentre la tecnica sviluppata da Imada e dai suoi colleghi si basa su metodi spettroscopici fondamentali, potrebbe potenzialmente aprire nuove opportunità di ricerca nel campo delle nanoscienze. Infatti, in contrasto con le tecniche di spettroscopia STM convenzionali, il loro metodo non utilizza elettroni tunnel ed è più simile alla spettroscopia laser convenzionale.

"Abbiamo dimostrato che il campo plasmonico può essere uno spot laser su nanoscala con dimensioni dello spot 1/100, " ha detto Imada. "Prevediamo che molti tipi di spettroscopia laser possono essere realizzati con l'estrema risoluzione spaziale in base alla nostra configurazione sperimentale, semplicemente introducendo nuove sorgenti luminose come il laser a breve impulso, pettine di frequenza, due impulsi sincronizzati, e così via.

Nel futuro, la tecnica introdotta da questo team di ricercatori potrebbe aiutare a sbloccare funzioni di conversione dell'energia appositamente progettate nei materiali organici, consentendo agli scienziati di regolare i livelli di energia dei sistemi molecolari. Nel frattempo, i ricercatori stanno progettando di lavorare su una versione risolta nel tempo della loro tecnica.

"È noto che esiste un compromesso tra risoluzione temporale e risoluzione energetica, ma le informazioni sulla scala temporale e sui livelli energetici sono entrambe molto importanti per comprendere correttamente il processo dinamico che avviene nello stato eccitato, " Ha detto Imada. "Abbiamo in programma di sviluppare nanospettroscopia ultraveloce che sia compatibile con la precisa nanospettroscopia sviluppata qui per rivoluzionare la comprensione della conversione dell'energia nei sistemi molecolari".

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