Een studie gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen opent nieuwe wegen voor fundamentele studies van vibrationele sterke koppeling, evenals voor de ontwikkeling van nieuwe infraroodsensoren voor chemische herkenning van zeer kleine hoeveelheden moleculen. De interactie van licht en materie op nanoschaal is een sleutelelement voor veel fundamentele studies en technologische toepassingen, variërend van licht oogsten tot de detectie van kleine hoeveelheden moleculen.

In de afgelopen decennia, er zijn veel strategieën geïmplementeerd om de interacties tussen licht en materie op nanoschaal te verbeteren. Eén benadering is gebaseerd op het concentreren van licht met behulp van propagerende en gelokaliseerde oppervlakteplasmonpolaritonen, dit zijn collectieve elektronenoscillaties in metalen of halfgeleiders die aan licht zijn gekoppeld. Deze elektromagnetische excitaties kunnen licht concentreren in vlekken op nanoschaal, zogenaamde hotspots. Bij midden-infrarood frequenties, ze maken de detectie van kleine hoeveelheden moleculen mogelijk. Deze methode wordt oppervlakteversterkte infraroodabsorptie (SEIRA) spectroscopie genoemd. Echter, typische mid-infrarood plasmonische structuren lijden aan grote verliezen en bereiken geen ultieme lichtconcentratie.

Een interessante maar veel minder onderzochte benadering voor het verbeteren van de interactie tussen licht en materie op nanoschaal is gebaseerd op infrarood-fononische materialen, waarin licht zich koppelt aan kristalroostervibraties om zogenaamde fonon-polaritonen te vormen. "Fonon-polariton-resonatoren bieden veel lagere verliezen en veldopsluiting dan hun mid-infrarode plasmonische tegenhangers. Om die reden, we besloten om infrarood-fononische resonatoren te ontwikkelen en toe te passen om de koppeling van infrarood licht aan moleculaire trillingen te verbeteren, " zegt postdoc Marta Autore, eerste auteur van het artikel.

Om een ​​methode van phononic SEIRA te ontwikkelen, de onderzoekers fabriceerden een reeks lintarrays gemaakt van hexagonaal boornitride (h-BN) vlokken. Door infraroodtransmissiespectroscopie, ze observeerden smalle fonon-polaritonresonanties. Vervolgens, ze legden dunne lagen van een organisch molecuul op de linten. Het leidde tot een sterke wijziging van de fonon-polaritonresonantie, die kunnen worden gebruikt om ultrakleine hoeveelheden moleculen te detecteren (N <10 ^-15 mol) die niet detecteerbaar waren wanneer ze op conventionele substraten werden gedeponeerd.

"Interessant, toen we dikkere lagen moleculen op de linten afzetten, we zagen een splitsing van de fonon-polaritonresonantie. Dit is een typische signatuur van een fenomeen dat bekend staat als sterke koppeling. Bij dit regime de interactie van licht en materie is zo sterk dat opwindende verschijnselen zoals wijziging van chemische reacties, polaritoncondensatie of lange-afstands- en ultrasnelle energieoverdracht kan optreden, " zegt Rainer Hillenbrand, groepsleider bij nanoGUNE die het werk leidde. "In de toekomst, we willen de fonon-versterkte sterke koppeling nader bekijken en wat we ermee kunnen doen."

De bevindingen tonen het potentieel van fonon-polaritonresonatoren om een ​​nieuw platform te worden voor mid-infrarooddetectie van ultrakleine hoeveelheden materialen en voor het verkennen van sterke koppeling op nanoschaal, de weg vrijmaken voor toekomstige fundamentele studies van kwantumverschijnselen of toepassingen zoals lokale modificatie van chemische bindingssterkte en selectieve katalyse op nanoschaal.