Forskere foreslår en ny metode til karakterisering af lys-stof-interaktion ved atomstørrelse

Fotoniske hulrum er en væsentlig del af mange moderne optiske enheder, fra laserpegere til mikrobølgeovne. Ligesom vi kan lagre vand i en tank og skabe stående bølger på overfladen af ​​vandet, vi kan begrænse lys i en fotonisk resonator, hvis vægge er stærkt reflekterende. Ligesom vandoverfladebølger afhænger af tankens geometri (form, dybde), specifikke optiske tilstande kan oprettes i et fotonisk hulrum, hvis egenskaber (farve og rumlig fordeling af intensitet) kan indstilles ved at ændre hulrummets dimensioner. Når hulrummets størrelse er meget lille-meget mindre end lysets bølgelængde (nano-hulrum i tilfælde af synligt lys)-dannes en intensiveringseffekt af lyset, der er så stærk, at det påvirker elektronerne på hulrummets vægge. Derefter dannes en blanding mellem fotoner og elektroner, giver anledning til hybridmåder mellem lys og stof kendt som plasmoner.

Plasmoner i optiske nano-hulrum er ekstremt vigtige for mange applikationer såsom kemiske sensorer, der tillader detektion af individuelle molekyler, eller fremstilling af nanolasere, der næsten ikke kunne fungere med elektrisk strømforbrug. Imidlertid, karakteriseringen af ​​disse plasmoniske tilstande er generelt meget kompleks, på grund af hulrummets lille størrelse, der gør det ekstremt svært at få adgang til dem ved hjælp af eksterne signaler.

På den anden side, tunneleffekten er en af ​​de mest karakteristiske, mystiske og bedst dokumenterede effekter af kvantemekanik. I en tunnelproces, en partikel (f.eks. en elektron) kan passere gennem en smal barriere (rummet, der adskiller to metaller på nanometriske afstande) på trods af ikke at have nok energi til at overvinde den. Det er som om vi kunne passere fra den ene side til den anden af ​​Den Kinesiske Mur uden at skulle hoppe over den.

Utroligt som det kan se ud, partikler fra kvanteverdenen kan gøre dette under visse betingelser. I de fleste af disse processer, partikelens energi før og efter processen er den samme. Imidlertid, i en lille brøkdel af disse begivenheder, partiklen kan opgive noget af sin energi, for eksempel, ved at generere lys, som er kendt som den uelastiske tunnelproces. Selvom det er velkendt, at lysets egenskaber i den uelastiske tunnelproces mellem to metaller afhænger af de plasmoniske tilstande, der findes i hulrummet, det afhænger også stærkt af energifordelingen af ​​partiklerne, der udfører tunnelprocessen.

Indtil nu, det havde været umuligt at skelne entydigt mellem disse to effekter og derfor udtrække oplysningerne om de plasmoniske tilstande fra analysen af ​​det lys, der udsendes af tunneleffekten.

Forskere fra Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia og IFIMAC har udviklet en metode til at overvinde dette problem ved samtidig at bestemme energifordelingen af ​​tunnelelektronerne og det lys, der udsendes i et scanningstunnelmikroskop. De har udnyttet tunneleffekten til at skabe optiske resonatorer med atomdimensioner og til at studere deres optiske egenskaber, for første gang at opklare bidragene på grund af energien fra tunnelpartiklerne fra virkningerne, der stammer fra de plasmoniske tilstande i hulrummet.

Dette arbejde foreslår en ny metode til karakterisering af lys-stof-interaktion ved atomstørrelse, og kan have vigtige teknologiske konsekvenser for udviklingen af ​​kemiske sensorer for enkeltmolekyler, nye kilder til enkelt- eller sammenflettede fotoner eller nanolasere, der er aktive ved ekstremt lave pumpekræfter.

Forskningen er blevet offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Naturkommunikation .