Gli scienziati dell'EPFL mostrano come una forza indotta dalla luce può amplificare la sensibilità e la risoluzione di una tecnica utilizzata per studiare singole molecole.

Quando si tratta di studiare singole molecole, gli scienziati utilizzano una potente tecnica chiamata "scattering Raman potenziato in superficie" (SERS). Uno strumento estremamente sensibile, SERS rileva le vibrazioni all'interno degli atomi della molecola illuminata come un cambiamento nel colore della luce. Ma la sensibilità del SERS è limitata a temperatura ambiente perché le molecole vibrano troppo debolmente. Pubblicazione in Nanotecnologia della natura , Gli scienziati dell'EPFL ora mostrano che questo ostacolo può essere superato con gli strumenti dell'optomeccanica della cavità, l'interazione tra luce e oggetti meccanici. Il lavoro ha significative applicazioni pratiche, in quanto può spingere ulteriormente le capacità di SERS.

Spettroscopia Raman e vibrazioni deboli

SERS si basa sui principi della spettroscopia Raman, una vecchia tecnica utilizzata per sondare le molecole:quando la luce laser le colpisce, interagisce con le loro vibrazioni (es. lo stiramento di un legame tra due atomi). Di conseguenza, la lunghezza d'onda della luce si sposta, cambiandone il colore. Questo spostamento diventa l'impronta digitale unica del tipo di molecola che viene sondata.

Però, La spettroscopia Raman è limitata quando si tratta di singole molecole perché interagiscono molto debolmente con la luce. Ciò accade principalmente per due motivi:primo, una singola molecola è circa mille volte più piccola della lunghezza d'onda della luce in arrivo. Sviluppato circa quarant'anni fa, SERS ha superato questo problema sfruttando una minuscola nuvola di elettroni oscillanti in nanoparticelle metalliche eccitate con luce laser. La nuvola è nota come "plasmone" e può essere localizzata in spazi di dimensioni nanometriche in cui possono essere posizionate le molecole.

In altre parole, le nanoparticelle metalliche fungono da nano-antenne che focalizzano la luce fino a dimensioni molecolari; questo approccio ha aumentato la sensibilità del SERS di oltre 10 ordini di grandezza. Però, la seconda limitazione di Raman è rimasta senza soluzione:le molecole vibrano molto debolmente a temperatura ambiente - o, in termini tecnici, "i relativi modi vibrazionali sono congelati".

Amplificazione delle vibrazioni molecolari con la luce

Due membri del laboratorio di Tobias J. Kippenberg all'EPFL hanno ora trovato una soluzione teorica a questo problema, dimostrando che SERS può effettivamente essere ulteriormente spinto in termini di sensibilità e risoluzione. La chiave per superare le deboli vibrazioni è la nuvola di elettroni oscillanti, il plasmone, che può esercitare una forza sulle vibrazioni della molecola testata.

I ricercatori Philippe Roelli e Christophe Galland, sono stati in grado di determinare le condizioni esatte necessarie per questa forza indotta dalla luce per guidare le vibrazioni della molecola a grandi ampiezze. Poiché la comunità scientifica ha fissato linee guida specifiche per questo campo, i ricercatori hanno scelto le lunghezze d'onda del laser e le proprietà delle strutture plasmoniche contro queste.

Ottenere più segnale da una molecola

Poiché la forza della luce amplifica le vibrazioni della molecola, anche l'interazione tra la molecola e la luce laser confinata diventa più forte. Questo può aumentare notevolmente il segnale raccolto da SERS, ben oltre ciò che può essere raggiunto da meccanismi precedentemente noti.

"Il nostro lavoro offre linee guida specifiche per la progettazione di nanostrutture metalliche più efficienti e schemi di eccitazione per SERS, " dice Philippe Roelli. "Può spingere i limiti della tecnica in sensibilità e risoluzione." In tal modo, lo studio apre nuove direzioni di ricerca nel controllo delle vibrazioni molecolari con la luce, con potenziali applicazioni che vanno dalla biologia e chimica alle tecnologie quantistiche.