Fotonische holtes zijn een essentieel onderdeel van veel moderne optische apparaten, van laserpointers tot magnetrons. Net zoals we water in een tank kunnen opslaan en staande golven op het wateroppervlak kunnen creëren, we kunnen licht opsluiten in een fotonische resonator waarvan de wanden sterk reflecterend zijn. Net zoals golven op het wateroppervlak afhankelijk zijn van de geometrie van de tank (vorm, diepte), specifieke optische modi kunnen worden gecreëerd in een fotonische holte waarvan de eigenschappen (kleur en ruimtelijke verdeling van intensiteit) kunnen worden afgestemd door de afmetingen van de holte te veranderen. Als de holte erg klein is - veel kleiner dan de golflengte van het licht dat deze insluit (nano-holte in het geval van zichtbaar licht) - ontstaat er een intensiveringseffect van het licht dat zo sterk is dat het de elektronen op de wanden van de spouw. Er ontstaat dan een mengsel van fotonen en elektronen, wat aanleiding geeft tot hybride modi tussen licht en materie, bekend als plasmonen.

Plasmonen in optische nanoholtes zijn uiterst belangrijk voor veel toepassingen, zoals chemische sensoren die de detectie van individuele moleculen mogelijk maken, of de fabricage van nanolasers die zouden kunnen werken met nauwelijks elektrisch stroomverbruik. Echter, de karakterisering van deze plasmonische modi is over het algemeen zeer complex, vanwege de kleine afmetingen van de holtes die het extreem moeilijk maken om ze door externe signalen te bereiken.

Anderzijds, het tunneleffect is een van de meest karakteristieke, mysterieuze en best gedocumenteerde effecten van Quantum Mechanics. Bij een tunnelproces een deeltje (bijvoorbeeld een elektron) kan door een nauwe barrière gaan (de ruimte die twee metalen op nanometrische afstanden van elkaar scheidt) ondanks dat het niet genoeg energie heeft om het te overwinnen. Het is alsof we van de ene naar de andere kant van de Chinese Muur kunnen gaan zonder eroverheen te hoeven springen.

Hoe ongelooflijk het ook mag lijken, deeltjes uit de kwantumwereld kunnen dit onder bepaalde voorwaarden. Bij de meeste van deze processen de energie van het deeltje voor en na het proces is hetzelfde. Echter, in een klein deel van deze evenementen, het deeltje kan een deel van zijn energie afstaan, bijvoorbeeld, door licht te genereren, wat bekend staat als het inelastische tunnelproces. Hoewel het algemeen bekend is dat de eigenschappen van het licht dat wordt uitgezonden in het inelastische tunnelproces tussen twee metalen afhankelijk zijn van de plasmonische modi die in de holte bestaan, het hangt ook sterk af van de energieverdeling van de deeltjes die het tunnelproces uitvoeren.

Tot nu, het was onmogelijk geweest om ondubbelzinnig onderscheid te maken tussen deze twee effecten en daarom de informatie over de plasmonische modi te extraheren uit de analyse van het licht dat door het tunneleffect wordt uitgezonden.

Onderzoekers van de Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia en IFIMAC hebben een methode ontwikkeld om dit probleem op te lossen door gelijktijdig de energieverdeling van de tunneling-elektronen en het uitgestraalde licht in een scanning tunnelmicroscoop te bepalen. Ze hebben het tunneleffect benut om optische resonatoren van atomaire afmetingen te maken en hun optische eigenschappen te bestuderen, ontrafelen voor de eerste keer de bijdragen door de energie van de tunnelende deeltjes van de effecten veroorzaakt door de plasmonische modi in de holte.

Dit werk stelt een nieuwe methodologie voor voor de karakterisering van licht-materie-interactie op atomaire grootte, en kan belangrijke technologische implicaties hebben voor de ontwikkeling van chemische sensoren van afzonderlijke moleculen, nieuwe bronnen van enkelvoudige of geïnterlinieerde fotonen of nanolasers die actief zijn bij extreem lage pompkrachten.

Het onderzoek is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie .