Phononic SEIRA—forbedrer lys-molekyle-interaktioner via krystalgittervibrationer

En undersøgelse offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer åbner nye veje for grundlæggende undersøgelser af vibrationsstærk kobling, samt til udvikling af nye infrarøde sensorer til kemisk genkendelse af meget små mængder molekyler. Samspillet mellem lys og stof på nanoskala er et nøgleelement for mange grundlæggende undersøgelser og teknologiske anvendelser, lige fra lysindsamling til påvisning af små mængder molekyler.

I de seneste årtier har mange strategier er blevet implementeret for at forbedre nanoskala lys-stof interaktioner. En tilgang er baseret på at koncentrere lys ved hjælp af udbredelse og lokaliserede overfladeplasmonpolaritoner, som er kollektive elektronoscillationer i metaller eller halvledere, der er koblet til lys. Disse elektromagnetiske excitationer kan koncentrere lys til pletter på nanoskala, såkaldte hotspots. Ved mellem-infrarøde frekvenser, de muliggør påvisning af små mængder molekyler. Denne metode kaldes overfladeforstærket infrarød absorption (SEIRA) spektroskopi. Imidlertid, typiske mid-infrarøde plasmoniske strukturer lider af store tab og opnår ikke den ultimative lyskoncentration.

En interessant, men meget mindre udforsket tilgang til forbedring af lys-stof-interaktion på nanoskala er baseret på infrarøde-foniske materialer, hvor lys kobles til krystalgittervibrationer for at danne såkaldte fononpolaritoner. "Phonon-polariton resonatorer tilbyder meget lavere tab og feltindeslutning end deres mid-infrarøde plasmoniske modstykker. Af den grund, vi besluttede at udvikle og anvende infrarød-foniske resonatorer for at forbedre koblingen af ​​infrarødt lys til molekylære vibrationer, " siger postdoc Marta Autore, avisens første forfatter.

For at udvikle en metode til fononisk SEIRA, forskerne fremstillede et sæt bånd-arrays lavet af hexagonale bornitrid (h-BN) flager. Ved infrarød transmissionsspektroskopi, de observerede smalle fonon polariton resonanser. Derefter, de afsatte tynde lag af et organisk molekyle på båndene. Det førte til en stærk ændring af fonon polariton resonans, som kunne bruges til at detektere ultrasmå mængder af molekyler (N <10 ^-15 mol), der ikke var påviselige, når de blev afsat på konventionelle substrater.

"Interessant nok, når vi afsatte tykkere lag af molekyler på båndene, vi observerede en opdeling af fononpolaritonresonansen. Dette er en typisk signatur af et fænomen, der er kendt som stærk kobling. I dette regime, interaktionen mellem lys og stof er så stærk, at spændende fænomener som modifikation af kemiske reaktioner, polariton kondensation eller lang rækkevidde og ultrahurtig energioverførsel kan forekomme, " siger Rainer Hillenbrand, gruppeleder hos nanoGUNE, der ledede arbejdet. "I fremtiden, vi ønsker at se nærmere på phonon-forstærket stærk kobling, og hvad vi kunne gøre med det."

Resultaterne viser potentialet af phonon polariton resonatorer til at blive en ny platform til mid-infrarød sensing af ultrasmå mængder af materialer og til at udforske stærk kobling på nanoskala, åbner vejen for fremtidige fundamentale undersøgelser af kvantefænomener eller anvendelser såsom lokal modifikation af kemisk bindingsstyrke og selektiv katalyse på nanoskala.