Vibrationsmøder - fononpolaritoner møder molekyler

Forskere fra CIC nanoGUNE BRTA (San Sebastian, Spanien), i samarbejde med Donostia International Physics Center (San Sebastián, Spanien) og University of Oviedo (Spanien) anvendte en spektroskopisk nanoimaging -teknik til at undersøge, hvordan infrarød nanolight - i form af fononpolitoner - og molekylære vibrationer interagerer med hinanden.

Billederne afslører, at vibrationskraftig kobling kan opnås, hvilket er et fænomen, der for nylig tiltrak stor opmærksomhed for dets potentielle anvendelse til at kontrollere grundlæggende fysiske og kemiske materialegenskaber. Resultatet kunne føre til udviklingen af ​​en ny platform til kemisk on-chip kemisk identifikation af små mængder molekyler og til undersøgelse af grundlæggende aspekter ved stærke koblingsfænomener på nanometerskalaen. Værket er blevet offentliggjort i Natur fotonik .

Lys spiller en væsentlig rolle i moderne videnskab og teknologi, med applikationer lige fra hurtig optisk kommunikation til medicinsk diagnose og laseroperation. I mange af disse applikationer, lysets vekselvirkning med stof er af grundlæggende betydning.

Ved infrarøde frekvenser, lys kan interagere med molekyler via deres vibrationer, der forekommer ved molekylspecifikke frekvenser. Af den grund, molekylære materialer kan identificeres ved at måle deres infrarøde refleksions- eller transmissionsspektre. Denne teknik, ofte kaldet infrarødt fingeraftryksspektroskopi, er meget udbredt til analyse af kemikalier, biologiske og medicinske stoffer.

For nylig, det blev fundet, at interaktionen mellem infrarødt lys og molekylære vibrationer kan være så stærk, at materialegenskaberne til sidst ændres, såsom ledningsevne og kemisk reaktivitet. Denne effekt-kaldet vibrationsstærk kobling-kan forekomme, når et materiale placeres i en mikrohulrum (typisk dannet af spejle, der er adskilt af mikrometerstørrelser), hvor lyset er koncentreret.

Styrken i interaktionen mellem lys og stof afhænger stærkt af mængden af ​​stof. Følgelig, interaktionen svækkes, når antallet af molekyler reduceres, udfordrende infrarøde spektroskopi -applikationer og til sidst forhindre stærk vibrationskobling. Dette problem kan løses ved at koncentrere lys i nanokaviteter eller ved at komprimere dets bølgelængde, hvilket fører til lysindeslutning.

"En særlig stærk komprimering af infrarødt lys kan opnås ved at koble det til gittervibrationer (fononer) af tynde lag af polære krystaller af høj kvalitet. Denne kobling fører til dannelse af infrarøde bølger-såkaldte fononpolitoner-der formerer sig langs krystallag med en bølgelængde, der kan være mere end ti gange mindre end den for den tilsvarende lysbølge i det frie rum, "siger Andrei Bylinkin, første forfatter til værket.

Nu, forskerne har undersøgt koblingen mellem molekylvibrationer og forplantende fononpolaritoner. Først, de lagde et tyndt lag hexagonalt bornitrid (mindre end 100 nm tykt) oven på organiske molekyler. Sekskantet bornitrid er en van der Waals krystal, hvorfra tynde lag af høj kvalitet let kan opnås ved eksfoliering. Næste, det var nødvendigt at generere fononpolaritoner i det tynde bornitridlag. "Dette kan ikke opnås ved blot at skinne infrarødt lys på bornitridlaget, fordi lysets momentum er meget mindre end phonon polaritons momentum, "siger Andrei Bylinkin.

Problemet med momentumfejl blev løst ved hjælp af den skarpe metalspids af et scannende nærfeltmikroskop, som fungerer som en antenne til infrarødt lys og koncentrerer det til et nanoskala infrarødt sted ved spidsen, der giver det nødvendige momentum til at generere fononpolaritoner. Mikroskopet spiller også en anden vigtig rolle. "Det gjorde det muligt for os at afbilde de phonon polaritoner, der formerer sig langs bornitridet, mens de interagerer med de nærliggende organiske molekyler, "siger Rainer Hillenbrand, der ledede undersøgelsen." På den måde kunne vi i det virkelige rum observere, hvordan fononpolaritoner kobler sig til molekylvibrationerne, derved danner hybridpolitroner, " han tilføjede.

Sættet med billeder, der blev optaget ved forskellige infrarøde frekvenser omkring resonansen af ​​molekylvibrationerne, afslørede forskellige grundlæggende aspekter. Hybridpolitronerne svækkes kraftigt ved molekylvibrationens frekvens, hvilket kunne være interessant for fremtidige on-chip sensing applikationer. De spektralt opløste billeder viste også, at bølgerne formerer sig med negativ gruppehastighed, og vigtigst, at koblingen mellem fononpolaritonerne og molekylvibrationerne er så stærk, at den falder ind i regimet for vibrationsstærk kobling.

"Ved hjælp af elektromagnetiske beregninger kunne vi bekræfte vores eksperimentelle resultater, og forudsiger yderligere, at stærk kobling bør være mulig, selv mellem få atomtykke lag af bornitrid og molekyler, "siger Alexey Nikitin.

Muligheden for stærk vibrationskobling på den ekstreme nanometerskala kunne i fremtiden bruges til udvikling af ultrafølsomme spektroskopi -enheder eller til at studere kvanteaspekter ved stærk vibrationskobling, der hidtil ikke har været tilgængelige.