Een onderzoeksteam van NTNU bestudeert een onderwerp dat optische holtes wordt genoemd en hoe het daarin opgesloten licht interageert met atomen, moleculen en andere deeltjes. De technologie kan waardevol zijn voor bijvoorbeeld de ontwikkeling van energie-efficiënte chemische processen of medicijnsynthese.

Het werk van professor Henrik Koch en Ph.D. kandidaten Rosario R. Riso, Tor S. Haugland en Marcus T. Lexander hebben verbluffende resultaten laten zien en krijgen steeds meer aandacht.

"We hebben een effectieve methode waargenomen voor het beschrijven van moleculen in optische holtes", zegt professor Koch, die werkzaam is bij zowel het NTNU-departement voor scheikunde van de Faculteit der Natuurwetenschappen als de Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS) in Italië.

Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Physical Review X en Natuurcommunicatie .

Optische holtes?

Maar wat zijn optische holtes precies? Onthoud allereerst dat de wereld op deze schaal een beetje anders lijkt dan de meesten van ons gewend zijn.

In de kwantummechanica zijn deeltjes en golven niet van elkaar te onderscheiden omdat ze een zogenaamde golf-deeltje-dualiteit of een golffunctie hebben.

Evenmin kunnen we onderscheid maken tussen deeltjes en licht in optische holtes, die een molecuul-licht dualiteit hebben. Deze koppeling zorgt voor nieuwe kleuren en eigenschappen in de moleculen die kunnen worden gebruikt in chemische en fysische processen.

Reflecterende spiegels

Optische holtes kunnen worden gemaakt door twee spiegels te gebruiken die extreem dicht bij elkaar staan, meestal nanometers van elkaar. Om moleculen te begrijpen, moet je kijken naar de omgeving waarin ze zich bevinden.

Alle atomen en moleculen, zoals de zuurstof in het noorderlicht, zenden licht uit omdat ze interageren met zwak licht dat altijd aanwezig is in een vacuüm of "lege" ruimte. De bijzondere kwaliteit in dit geval is dat het licht in een lege optische holte niet hetzelfde is als het licht in het vacuüm buiten. Door een molecuul in de holte te plaatsen, verandert zowel de kleur als de intensiteit van het licht dat uit het molecuul komt.

"In een optische holte gemaakt van reflecterende spiegels kunnen moleculen sterk interageren met het kwantummechanische vacuüm", zegt Koch.

Het onderzoeksteam werkt uitsluitend met simulaties, dus het is belangrijk om samen te werken met een experimentele groep die kan testen of de theorieën van het team kloppen.

Hiervoor werkt het onderzoeksteam samen met professor John de Mello en Ph.D. kandidaat Enkui Lian van NTNU Nano om prototypes te fabriceren voor gebruik in onderzoek.

Een veelvoorkomende theorie

Moleculaire orbitaaltheorie is een belangrijk theoretisch hulpmiddel in de chemie en wordt veel gebruikt in zowel de anorganische als de organische chemie om chemische reacties te begrijpen.

"We hebben de eerste consistente moleculaire orbitaaltheorie voor kwantumelektrodynamica gevonden, dat wil zeggen, een moleculaire orbitaaltheorie voor moleculen in optische holtes", zegt Koch.

Using this theory, scientists can predict how molecules will react inside optical cavities, as well as what kinds of colors and properties the molecules will have. + Verder verkennen

Accurate theoretical modeling unravels changes in molecules interacting with quantum light