Come un ricercatore immagina una reazione chimica in una cavità ottica. Credito:Enrico Ronca, IPCF-CNR
Un gruppo di ricerca di NTNU sta studiando un argomento chiamato cavità ottiche e come la luce intrappolata in esse interagisce con atomi, molecole e altre particelle. La tecnologia potrebbe rivelarsi preziosa per lo sviluppo di processi chimici efficienti dal punto di vista energetico o per la sintesi di farmaci, ad esempio.
Il lavoro del professor Henrik Koch e Ph.D. i candidati Rosario R. Riso, Tor S. Haugland e Marcus T. Lexander hanno mostrato risultati sorprendenti e stanno attirando l'attenzione.
"Abbiamo osservato un metodo efficace per descrivere le molecole nelle cavità ottiche", afferma il professor Koch, impiegato sia presso il Dipartimento di Chimica della NTNU nella Facoltà di Scienze Naturali che presso la Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS) in Italia.
I loro risultati sono stati recentemente pubblicati su Physical Review X e Comunicazioni sulla natura .
Cavità ottiche?
Ma cosa sono esattamente le cavità ottiche? Prima di tutto, ricorda che su questa scala il mondo sembra un po' diverso da quello a cui la maggior parte di noi è abituata.
Nella meccanica quantistica, le particelle e le onde sono indistinguibili perché hanno quella che viene chiamata dualità onda-particella, o una funzione d'onda.
Né possiamo distinguere tra particelle e luce nelle cavità ottiche, che hanno una dualità molecola-luce. Questo accoppiamento crea nuovi colori e proprietà nelle molecole che possono essere utilizzate nei processi chimici e fisici.
Specchi riflettenti
Le cavità ottiche possono essere create utilizzando due specchi estremamente vicini tra loro, tipicamente a nanometri di distanza l'uno dall'altro. Per comprendere le molecole è necessario osservare l'ambiente in cui si trovano.
Tutti gli atomi e le molecole, come l'ossigeno nell'aurora boreale, emettono luce perché interagiscono con la luce fioca che è sempre presente nel vuoto, o spazio "vuoto". La particolarità in questo caso è che la luce in una cavità ottica vuota non è la stessa della luce nel vuoto all'esterno. Posizionare una molecola all'interno della cavità cambierà sia il colore che l'intensità della luce emanata dalla molecola.
"In una cavità ottica fatta di specchi riflettenti, le molecole possono interagire fortemente con il vuoto meccanico quantistico", afferma Koch.
Il team di ricerca lavora esclusivamente con simulazioni, quindi è importante collaborare con un gruppo sperimentale in grado di verificare se le teorie del team sono corrette.
A tal fine, il gruppo di ricerca sta lavorando con il Professor John de Mello e Ph.D. candidato Enkui Lian di NTNU Nano per fabbricare prototipi da utilizzare nella ricerca.
Una teoria comune
La teoria degli orbitali molecolari è un importante strumento teorico in chimica ed è ampiamente utilizzata sia in chimica inorganica che organica per comprendere le reazioni chimiche.
"We've found the first consistent molecular orbital theory for quantum electrodynamics—that is, a molecular orbital theory for molecules in optical cavities," says Koch.
Using this theory, scientists can predict how molecules will react inside optical cavities, as well as what kinds of colors and properties the molecules will have. + Esplora ulteriormente
