Nano-spejlsalen får molekyler til at blande sig med lys

Når et molekyle udsender et lysblink, den forventer ikke, at den nogensinde kommer tilbage. Men forskere har nu formået at placere enkelte molekyler i et så lille optisk hulrum, der udsender fotoner, eller partikler af lys, vende tilbage til molekylet, før de er gået ordentligt tilbage. Energien svinger frem og tilbage mellem lys og molekyle, resulterer i en fuldstændig blanding af de to.

Tidligere forsøg på at blande molekyler med lys har været komplekse at fremstille og kun opnåelige ved meget lave temperaturer, men forskerne, ledet af University of Cambridge, har udviklet en metode til at producere disse 'halvlette' molekyler ved stuetemperatur.

Disse usædvanlige interaktioner mellem molekyler og lys giver nye måder at manipulere stoffets fysiske og kemiske egenskaber på, og kan bruges til at behandle kvanteinformation, hjælpe med forståelsen af ​​komplekse processer, der virker i fotosyntesen, eller endda manipulere de kemiske bindinger mellem atomer. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur .

For at bruge enkelte molekyler på denne måde, forskerne skulle pålideligt konstruere hulrum kun en nanometer på tværs for at fange lys. De brugte det lille hul mellem en guld nanopartikel og et spejl, og placerede et farvet farvestofmolekyle indeni.

"Det er som en spejlsal for et molekyle, kun placeret hundrede tusinde gange tyndere end et menneskehår, " sagde professor Jeremy Baumberg fra NanoPhotonics Center ved Cambridges Cavendish Laboratory, der ledede forskningen.

For at opnå molekyle-lys-blandingen, farvestofmolekylerne skulle placeres korrekt i det lille hul. "Vores molekyler kan lide at ligge fladt ned på guldet, og det var virkelig svært at overtale dem til at stå oprejst, " sagde Rohit Chikkaraddy, hovedforfatter af undersøgelsen.

For at løse dette, holdet sluttede sig til et hold af kemikere ved Cambridge ledet af professor Oren Scherman for at indkapsle farvestofferne i hule tøndeformede molekylære bure kaldet cucurbiturils, som er i stand til at holde farvestofmolekylerne i den ønskede opretstående position.

Når de er samlet korrekt, molekylespredningsspektret opdeles i to adskilte kvantetilstande, hvilket er signaturen på denne 'blanding'. Denne farveafstand svarer til, at fotoner tager mindre end en billiontedel af et sekund om at komme tilbage til molekylet.

Et vigtigt fremskridt var at vise, at stærk blanding af lys og stof var mulig for enkelte molekyler selv med stor absorption af lys i metallet og ved stuetemperatur. "At finde enkelt-molekyle signaturer tog måneders dataindsamling, " sagde Chikkaraddy.

Forskerne var også i stand til at observere trin i farveafstanden af ​​tilstandene svarende til, om man, to, eller tre molekyler var i mellemrummet.