Wanneer een molecuul een lichtflits uitzendt, het verwacht niet dat het ooit terug zal komen. Onderzoekers zijn er nu echter in geslaagd om afzonderlijke moleculen in zo'n kleine optische holte te plaatsen die fotonen uitzond, of lichtdeeltjes, terugkeren naar het molecuul voordat ze goed zijn vertrokken. De energie oscilleert heen en weer tussen licht en molecuul, resulterend in een volledige vermenging van de twee.

Eerdere pogingen om moleculen met licht te mengen waren complex om te produceren en alleen haalbaar bij zeer lage temperaturen. maar de onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Cambridge, hebben een methode ontwikkeld om deze 'halflichte' moleculen bij kamertemperatuur te produceren.

Deze ongebruikelijke interacties van moleculen met licht bieden nieuwe manieren om de fysische en chemische eigenschappen van materie te manipuleren, en kan worden gebruikt om kwantuminformatie te verwerken, hulp bij het begrijpen van complexe processen aan het werk in fotosynthese, of zelfs de chemische bindingen tussen atomen manipuleren. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

Om op deze manier afzonderlijke moleculen te gebruiken, de onderzoekers moesten op betrouwbare wijze holtes construeren met een diameter van slechts één nanometer om licht op te vangen. Ze gebruikten de kleine opening tussen een gouden nanodeeltje en een spiegel, en plaatste er een gekleurde kleurstofmolecuul in.

"Het is als een spiegelzaal voor een molecuul, slechts honderdduizend keer dunner dan een mensenhaar, " zei professor Jeremy Baumberg van het NanoPhotonics Centre in het Cavendish Laboratory in Cambridge, die het onderzoek leidde.

Om de molecuul-lichtmenging te bereiken, de kleurstofmoleculen moesten correct in de kleine opening worden geplaatst. "Onze moleculen liggen graag plat op het goud, en het was echt moeilijk om ze over te halen om rechtop te gaan staan, " zei Rohit Chikkaraddy, hoofdauteur van de studie.

Om dit op te lossen, het team sloot zich aan bij een team van chemici in Cambridge onder leiding van professor Oren Scherman om de kleurstoffen in te kapselen in holle tonvormige moleculaire kooien, cucurbiturilen genaamd, die de kleurstofmoleculen in de gewenste rechtopstaande positie kunnen houden.

Wanneer correct in elkaar gezet, het molecuulverstrooiingsspectrum splitst zich in twee gescheiden kwantumtoestanden, wat het kenmerk is van deze 'vermenging'. Deze kleurafstand komt overeen met het feit dat fotonen er minder dan een biljoenste van een seconde over doen om terug te keren naar het molecuul.

Een belangrijke vooruitgang was om aan te tonen dat een sterke vermenging van licht en materie mogelijk was voor afzonderlijke moleculen, zelfs met grote absorptie van licht in het metaal en bij kamertemperatuur. "Het vinden van handtekeningen van één molecuul vergde maanden van gegevensverzameling, ' zei Chikkadaddy.

De onderzoekers waren ook in staat om stappen te observeren in de kleurafstand van de staten die overeenkomen met of men, twee, of er zaten drie moleculen in de opening.