Onderzoekers van CIC nanoGUNE BRTA (San Sebastian, Spanje), in samenwerking met het Donostia International Physics Centre (San Sebastián, Spanje) en de Universiteit van Oviedo (Spanje) gebruikten een spectroscopische nanobeeldvormingstechniek om te bestuderen hoe infrarood nanolicht - in de vorm van fononpolaritonen - en moleculaire trillingen met elkaar interageren.

De afbeeldingen laten zien dat een sterke vibratiekoppeling kan worden bereikt, dat is een fenomeen dat onlangs brede aandacht trok vanwege het mogelijke gebruik ervan om fundamentele fysische en chemische materiaaleigenschappen te beheersen. Het resultaat zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van een nieuw platform voor chemische identificatie op de chip van kleine hoeveelheden moleculen en voor het bestuderen van fundamentele aspecten van sterke koppelingsverschijnselen op nanometerschaal. Het werk is gepubliceerd in Natuurfotonica .

Licht speelt een essentiële rol in de moderne wetenschap en technologie, met toepassingen variërend van snelle optische communicatie tot medische diagnose en laserchirurgie. In veel van deze toepassingen de interactie van licht met materie is van fundamenteel belang.

Bij infrarood frequenties, licht kan interageren met moleculen via hun trillingen die optreden bij molecuulspecifieke frequenties. Om die reden, moleculaire materialen kunnen worden geïdentificeerd door hun infraroodreflectie- of transmissiespectra te meten. Deze techniek, vaak infrarood-vingerafdrukspectroscopie genoemd, wordt veel gebruikt voor de analyse van chemische, biologische en medische stoffen.

Onlangs, bleek dat de interactie tussen infrarood licht en moleculaire trillingen zo sterk kan zijn dat uiteindelijk de materiaaleigenschappen veranderen, zoals geleidbaarheid en chemische reactiviteit. Dit effect - sterke vibratiekoppeling genoemd - kan optreden wanneer een materiaal in een microholte wordt geplaatst (meestal gevormd door spiegels die gescheiden zijn door micrometerafstanden) waarin het licht is geconcentreerd.

De sterkte van de interactie tussen licht en materie is sterk afhankelijk van de hoeveelheid materie. Bijgevolg, de interactie verzwakt wanneer het aantal moleculen wordt verminderd, uitdagende infrarood spectroscopie toepassingen en uiteindelijk voorkomen dat een sterke trillingskoppeling wordt bereikt. Dit probleem kan worden opgelost door licht te concentreren in nanoholtes of door de golflengte ervan te comprimeren, wat leidt tot lichte opsluiting.

"Een bijzonder sterke compressie van infrarood licht kan worden bereikt door het te koppelen aan roostertrillingen (fononen) van dunne lagen hoogwaardige polaire kristallen. Deze koppeling leidt tot de vorming van infrarode golven - zogenaamde fonon-polaritonen - die zich voortplanten langs de kristallaag met een golflengte die meer dan tien keer kleiner kan zijn dan die van de corresponderende lichtgolf in de vrije ruimte, " zegt Andrei Bylinkin, eerste auteur van het werk.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben de koppeling tussen molecuultrillingen en voortplantende fonon-polaritonen bestudeerd. Eerst, ze plaatsten een dunne laag hexagonaal boornitride (minder dan 100 nm dik) bovenop organische moleculen. Zeshoekig boornitride is een van der Waals-kristal waaruit door middel van exfoliatie gemakkelijk dunne, hoogwaardige lagen kunnen worden verkregen. Volgende, het was nodig om fononpolaritonen te genereren in de dunne boornitridelaag. "Dit kan niet worden bereikt door alleen infrarood licht op de boornitridelaag te schijnen, omdat het momentum van licht veel kleiner is dan het momentum van de fonon-polaritonen, " zegt Andrei Bylinkin.

Het probleem van de momentum-mismatch werd opgelost met behulp van de scherpe metalen punt van een scanning near-field microscoop, die fungeert als een antenne voor infraroodlicht en het concentreert op een infraroodvlek op nanoschaal aan de top van de punt die het nodige momentum geeft om fonon-polaritonen te genereren. De microscoop speelt ook een tweede belangrijke rol. "Het stelde ons in staat om de fonon-polaritonen in beeld te brengen die zich voortplanten langs het boornitride terwijl ze interageren met de nabijgelegen organische moleculen, ", zegt Rainer Hillenbrand die de studie leidde. "Op die manier konden we in de echte ruimte waarnemen hoe de fononpolaritonen koppelen met de moleculaire trillingen, waardoor hybride polaritonen worden gevormd, " hij voegde toe.

De reeks beelden die werden vastgelegd op verschillende infraroodfrequenties rond de resonantie van de moleculaire trillingen onthulden verschillende fundamentele aspecten. De hybride polaritonen worden sterk verzwakt bij de frequentie van de moleculaire vibratie, wat interessant zou kunnen zijn voor toekomstige on-chip detectietoepassingen. De spectraal opgeloste beelden toonden ook aan dat de golven zich voortplanten met een negatieve groepssnelheid, en het belangrijkste, dat de koppeling tussen de fonon-polaritonen en de moleculaire trillingen zo sterk is dat het valt in het regime van vibrationele sterke koppeling.

"Met behulp van elektromagnetische berekeningen konden we onze experimentele resultaten bevestigen, en verder voorspellen dat een sterke koppeling mogelijk zou moeten zijn, zelfs tussen enkele atoomdikke lagen boornitride en moleculen, " zegt Alexey Nikitin.

De mogelijkheid van sterke trillingskoppeling op de extreme nanometerschaal zou in de toekomst kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van ultragevoelige spectroscopie-apparaten of om kwantumaspecten van sterke trillingskoppeling te bestuderen die tot nu toe niet toegankelijk waren.