I nanotubi di carbonio possono essere prodotti con una varietà di forme e proprietà e sono quindi di grande interesse per applicazioni diffuse in campi diversi come l'elettronica, fotonica, nanomeccanica, e ottica quantistica. Per questo è importante avere a portata di mano uno strumento che permetta di determinare queste proprietà in modo rapido e preciso. La spettroscopia Raman è particolarmente sensibile per la struttura chimica che dà origine a queste proprietà. Però, i segnali sono intrinsecamente deboli e richiedono tecniche di potenziamento. Ora, un team di ricercatori della Divisione di Spettroscopia Laser del Prof. Theodor W. Hänsch (Direttore presso il Max Planck Institute of Quantum Optics e Cattedra di Fisica Sperimentale presso la Ludwig-Maximilians-Universität, Monaco di Baviera) ha sviluppato una tecnica, dove viene utilizzata una microcavità ottica per migliorare i segnali di diffusione Raman, e lo ha utilizzato per la diagnostica molecolare combinando Raman e imaging ad assorbimento. A differenza di altre tecniche, il nuovo approccio si basa solo su maggiori fluttuazioni del vuoto del campo elettromagnetico all'interno di una cavità, che consente un miglioramento significativo senza sfondo indesiderato, e rende quindi la tecnica uno strumento promettente per l'imaging molecolare.

Ogni specie molecolare ha la propria impronta digitale di frequenze vibrazionali che trasporta informazioni sulla sua struttura chimica. La spettroscopia Raman consente di rilevare otticamente lo spettro vibrazionale in modo potente mediante diffusione anelastica della luce. Come tecnica ottica, può consentire l'imaging spaziale e quindi combinare il contrasto chimico con un'elevata risoluzione spaziale. Questa capacità apre una vasta gamma di applicazioni per la microscopia Raman, che vanno dall'analisi di campioni biologici alla caratterizzazione di nanomateriali e al monitoraggio dei processi industriali.

In questo studio, vengono studiati i singoli nanotubi di carbonio. I nanotubi sono disponibili in una varietà di diametri e possono essere metallici o semiconduttori. La spettroscopia Raman è particolarmente sensibile alla struttura molecolare che governa queste proprietà, e l'imaging Raman consente di determinarlo per i singoli nanotubi. Però, la diffusione Raman convenzionale soffre di un segnale intrinsecamente basso, che è particolarmente grave per le applicazioni di imaging e quando si studiano i singoli nanosistemi. "Il nostro approccio è quello di posizionare il campione di nanotubi, disperso su un substrato, all'interno di una cavità microscopica, dove le risonanze ottiche possono essere sfruttate per migliorare il processo di diffusione Raman. Allo stesso tempo, la cavità può essere scansionata attraverso il campione e focalizza la luce su una dimensione del punto non troppo lontana dal limite di diffrazione, tale da poter generare immagini ad alta risoluzione", spiega il dottor David Hunger, uno degli scienziati che lavorano al progetto. "La cavità amplifica sia il processo di diffusione Raman che l'assorbimento dal campione. Ciò consente di combinare la microscopia ad assorbimento ultrasensibile con l'imaging Raman all'interno di una singola misurazione".

Per aumentare l'effetto di miglioramento della cavità, in definitiva sono necessarie piccole cavità in grado di immagazzinare la luce per molte migliaia di circolazioni, il che è una sfida particolare quando si desiderano anche capacità di scansione per scopi di imaging. Nella configurazione della microcavità, sviluppato dal Dr. David Hunger e dal suo team, un lato del risonatore è costituito da uno specchio piano che funge contemporaneamente da supporto per il campione in esame. La controparte è un microspecchio fortemente curvo sull'estremità di una fibra ottica. La luce laser è accoppiata al risonatore attraverso questa fibra. Lo specchio piano viene spostato punto per punto rispetto alla fibra per portare il campione passo dopo passo nel fuoco della modalità cavità. Allo stesso tempo, la distanza tra i due specchi è regolata in modo tale che la condizione di risonanza per la cavità sia abbinata a una risonanza di un processo di diffusione Raman. Ciò richiede una precisione di posizionamento nell'intervallo di decine di picometri. "Per ottenere uno spettro Raman completo, sintonizziamo gradualmente la separazione dello specchio per spazzare una risonanza della cavità attraverso l'intervallo spettrale desiderato e raccogliere il segnale di scattering Raman potenziato dalla cavità, " spiega Thomas Hümmer, il principale dottorando dell'esperimento. "Poiché le risonanze della cavità sono estremamente strette, questo può portare a una risoluzione spettrale ben oltre le capacità degli spettrometri Raman convenzionali".

Allo stesso tempo, il segnale Raman è fortemente potenziato, per il cosiddetto effetto Purcell. Questo effetto deriva dalle maggiori fluttuazioni del vuoto e dalla grande durata dei fotoni all'interno della microcavità. Nell'esperimento, questo porta ad un miglioramento della luce risonante fino a un fattore 320. Quando si confronta il segnale netto ottenuto da una singola linea Raman dalla cavità al segnale ottenuto con il miglior microscopio convenzionale possibile, l'esperimento della cavità ottiene un aumento di oltre 6 volte. Ulteriori miglioramenti dovrebbero consentire di aumentare questo miglioramento di diversi ordini di grandezza in futuro.

Il pieno potenziale della tecnica viene quindi dimostrato dall'imaging iperspettrale potenziato dalla cavità. In tale misura, gli spettri Raman potenziati dalla cavità sono registrati in molti punti dello specchio, e si può costruire un'immagine spaziale, visualizzando ad es. la forza o la forma delle linee Raman. "Nel nostro esperimento studiamo una particolare transizione Raman, che è sensibile al diametro e alle proprietà elettroniche del nanotubo. Dall'immagine iperspettrale possiamo dedurre le dimensioni di un grande insieme di singoli tubi e determinare se sono metallici o semiconduttori, " spiega Thomas Hümmer. Tale analisi può fornire informazioni cruciali su un campione.

L'applicabilità del metodo a una grande varietà di campioni lo rende uno strumento promettente per l'imaging Raman a singola molecola. Per di più, lo schema potrebbe essere esteso per costruire laser Raman con una varietà di nuovi materiali, oppure potrebbe essere usato per ottenere il controllo quantistico sulle vibrazioni molecolari.