De interactie van licht met materie is de basis van spectroscopie, een reeks technieken die de kern vormen van natuurkunde en scheikunde. Van infrarood licht tot röntgenstraling, een brede reeks golflengten wordt gebruikt om trillingen te stimuleren, elektronenovergangen, en andere processen, aldus de wereld van atomen en moleculen aftasten.

Echter, een minder gebruikte vorm van licht is het terahertz (THz) gebied. Liggend op het elektromagnetische spectrum tussen infrarood en microgolven, THz-straling heeft wel de juiste frequentie (rond 10 ¹² Hz) om moleculaire trillingen op te wekken. Helaas, de lange golflengte (honderden micrometers) is ongeveer 100, 000 keer een typische moleculaire grootte, waardoor het onmogelijk is om THz-stralen op een enkel molecuul te focussen met conventionele optica. Alleen grote ensembles van moleculen kunnen worden bestudeerd.

Onlangs, een team onder leiding van het Institute of Industrial Science (IIS) van de Universiteit van Tokyo heeft een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. In een studie in Natuurfotonica , ze toonden aan dat THz-straling inderdaad de beweging van individuele moleculen kan detecteren, het overwinnen van de klassieke diffractielimiet voor het focusseren van lichtstralen. In feite, de methode was gevoelig genoeg om de tunneling van een enkel elektron te meten.

Het IIS-team toonde een ontwerp op nanoschaal dat bekend staat als een transistor met één molecuul. Twee aangrenzende metalen elektroden, de source en de drain van de transistor, worden op een dunne siliciumwafel geplaatst in de vorm van een vlinderdas. Vervolgens, enkele moleculen - in dit geval C60, aka fullereen - worden afgezet in de sub-nanometer openingen tussen de bron en de afvoer. De elektroden fungeren als antennes om de THz-straal strak op de geïsoleerde fullerenen te focussen.

"De fullerenen absorberen de gefocuste THz-straling, waardoor ze oscilleren rond hun zwaartepunt, " legt studie eerste auteur Shaoqing Du uit. "De ultrasnelle moleculaire oscillatie verhoogt de elektrische stroom in de transistor, bovenop zijn inherente geleidbaarheid." Hoewel deze stroomverandering minuscuul is - in de orde van femto-amps (fA) - kan hij nauwkeurig worden gemeten met dezelfde elektroden die worden gebruikt om de moleculen op te vangen. Op deze manier kunnen twee trillingspieken rond 0,5 en 1 THz werden uitgezet.

In feite, de meting is gevoelig genoeg om een ​​lichte splitsing van de absorptiepieken te meten, veroorzaakt door het optellen of aftrekken van slechts één elektron. Wanneer C60 oscilleert op een metalen oppervlak, zijn vibratiekwantum (vibron) kan worden geabsorbeerd door een elektron in de metalen elektrode. Zo gestimuleerd, het elektron tunnelt in het C60-molecuul. De resulterende negatief geladen C60 ^- molecuul trilt met een iets lagere frequentie dan neutrale C60, waardoor een andere frequentie van THz-straling wordt geabsorbeerd.

Naast het geven van een glimp van tunneling, de studie demonstreert een praktische methode om elektronische en vibronische informatie te verkrijgen over moleculen die slechts zwak THz-fotonen absorberen. Dit zou het bredere gebruik van THz-spectroscopie kunnen openen, een onderontwikkelde methode die complementair is aan zichtbaar licht en röntgenspectroscopie, en zeer relevant voor nano-elektronica en kwantumcomputers.