Scienziati del Centro per la fotonica e i materiali 2-D dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT), l'Università di Oviedo, Centro Internazionale di Fisica Donostia, e CIC nanoGUNE hanno proposto un nuovo modo per studiare le proprietà delle singole molecole organiche e dei nanostrati di molecole. L'approccio, descritto in Nanofotonica , si basa su strutture a film di grafene-metallo a forma di V.

L'analisi non distruttiva delle molecole tramite spettroscopia a infrarossi è fondamentale in molte situazioni della chimica organica e inorganica:per il controllo delle concentrazioni di gas, rilevamento della degradazione del polimero, misurazione del contenuto di alcol nel sangue, ecc. Tuttavia, questo semplice metodo non è applicabile a piccoli numeri di molecole in un nanovolume. Nel loro recente studio, ricercatori dalla Russia e dalla Spagna propongono un modo per affrontare questo problema.

Una nozione chiave alla base della nuova tecnica è quella di un plasmone. Ampiamente definito, si riferisce ad un'oscillazione di un elettrone accoppiato ad un'onda elettromagnetica. Propagando insieme, i due possono essere visti come una quasiparticella.

Lo studio ha considerato plasmoni in una struttura a forma di cuneo di diverse dozzine di nanometri. Un lato del cuneo è uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, noto come grafene. Accoglie plasmoni che si propagano lungo il lenzuolo, con cariche oscillanti sotto forma di elettroni o lacune di Dirac. L'altro lato della struttura a forma di V è un oro o un altro film metallico elettricamente conduttivo che corre quasi parallelo al foglio di grafene. Lo spazio in mezzo è riempito con uno strato affusolato di materiale dielettrico, ad esempio, nitruro di boro, che ha uno spessore di 2 nanometri nel punto più stretto (fig. 1).

Tale configurazione consente la localizzazione del plasmone, o messa a fuoco. Questo si riferisce a un processo che converte i plasmoni regolari in quelli a lunghezza d'onda più corta, chiamato acustico. Come un plasmone si propaga lungo il grafene, il suo campo è forzato in spazi progressivamente più piccoli nel cuneo affusolato. Di conseguenza, la lunghezza d'onda diventa molte volte più piccola e l'ampiezza del campo nella regione tra il metallo e il grafene viene amplificata. In quel modo, un plasmone regolare si trasforma gradualmente in acustico.

"Si sapeva in precedenza che i polaritoni e i modi d'onda subiscono tale compressione nelle guide d'onda affusolate. Abbiamo deciso di esaminare questo processo specificamente per il grafene, ma poi è passato a considerare le possibili applicazioni del sistema grafene-metallo in termini di produzione di spettri molecolari, ", ha affermato il coautore dell'articolo Kirill Voronin del MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics.

Il team ha testato la sua idea su una molecola nota come CBP, che viene utilizzato in prodotti farmaceutici e diodi organici a emissione di luce. È caratterizzato da un picco di assorbimento prominente a una lunghezza d'onda di 6,9 micrometri. Lo studio ha esaminato la risposta di uno strato di molecole, che è stato posto nella parte sottile del cuneo, tra il metallo e il grafene. Lo strato molecolare era sottile come 2 nanometri, o tre ordini di grandezza inferiori alla lunghezza d'onda dei plasmoni che eccitano il laser. Misurare un assorbimento così basso delle molecole sarebbe impossibile utilizzando la spettroscopia convenzionale.

Nella configurazione proposta dai fisici, però, il campo è localizzato in uno spazio molto più ristretto, consentendo al team di concentrarsi sul campione in modo da registrare una risposta da diverse molecole o anche da una singola grande molecola come il DNA.

Esistono diversi modi per eccitare i plasmoni nel grafene. La tecnica più efficiente si basa su un microscopio a scansione di campo vicino di tipo scattering. Il suo ago è posizionato vicino al grafene e irradiato con un raggio di luce focalizzato. Poiché la punta dell'ago è molto piccola, può eccitare onde con un vettore d'onda molto grande e una piccola lunghezza d'onda. I plasmoni eccitati dall'estremità affusolata del cuneo viaggiano lungo il grafene verso le molecole che devono essere analizzate. Dopo aver interagito con le molecole, i plasmoni vengono riflessi all'estremità rastremata del cuneo e poi dispersi dallo stesso ago che inizialmente li eccitava, che funge quindi anche da rivelatore.

"Abbiamo calcolato il coefficiente di riflessione, questo è, il rapporto tra l'intensità del plasmone riflesso e l'intensità della radiazione laser originale. Il coefficiente di riflessione dipende chiaramente dalla frequenza, e la frequenza massima coincide con il picco di assorbimento delle molecole. Diventa evidente che l'assorbimento è molto debole, circa parecchi percento, nel caso dei normali plasmoni di grafene. Quando si tratta di plasmoni acustici, il coefficiente di riflessione è inferiore di decine di percento. Ciò significa che la radiazione è fortemente assorbita nel piccolo strato di molecole, " aggiunge il coautore del documento e professore in visita al MIPT Alexey Nikitin, un ricercatore presso il Donostia International Physics Center, Spagna.

Dopo alcuni miglioramenti ai processi tecnologici coinvolti, lo schema proposto dai ricercatori russi e spagnoli può essere utilizzato come base per la creazione di dispositivi reali. Secondo la squadra, sarebbero principalmente utili per indagare le proprietà di composti organici poco studiati e per rilevare quelli conosciuti.