Koolstofnanobuizen kunnen worden geproduceerd met een verscheidenheid aan vormen en eigenschappen en zijn daarom van groot belang voor wijdverbreide toepassingen op uiteenlopende gebieden als elektronica, fotonica, nanomechanica, en kwantumoptica. Daarom is het belangrijk om een ​​tool bij de hand te hebben waarmee deze eigenschappen snel en nauwkeurig kunnen worden bepaald. Raman-spectroscopie is bijzonder gevoelig voor de chemische structuur die tot deze eigenschappen leidt. Echter, de signalen zijn intrinsiek zwak en vragen om verbeteringstechnieken. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Laser Spectroscopy Division van Prof. Theodor W. Hänsch (Directeur van het Max Planck Institute of Quantum Optics en voorzitter van Experimentele Fysica aan de Ludwig-Maximilians-Universität, München) heeft een techniek ontwikkeld, waar een optische microholte wordt gebruikt om Raman-verstrooiingssignalen te verbeteren, en gebruikte het voor moleculaire diagnostiek door gecombineerde Raman- en absorptiebeeldvorming. In tegenstelling tot andere technieken, de nieuwe benadering is alleen gebaseerd op verhoogde vacuümfluctuaties van het elektromagnetische veld in een holte, die een aanzienlijke verbetering mogelijk maakt zonder ongewenste achtergrond, en maakt daarmee de techniek een veelbelovend hulpmiddel voor moleculaire beeldvorming.

Elke moleculaire soort heeft zijn eigen vingerafdruk van trillingsfrequenties die informatie over zijn chemische structuur bevat. Raman-spectroscopie maakt het mogelijk om het trillingsspectrum op een krachtige manier optisch te detecteren door inelastische lichtverstrooiing. Als optische techniek het kan ruimtelijke beeldvorming mogelijk maken en daardoor chemisch contrast combineren met een hoge ruimtelijke resolutie. Deze mogelijkheid opent een grote verscheidenheid aan toepassingen voor Raman-microscopie, variërend van de analyse van biologische monsters tot de karakterisering van nanomaterialen en industriële procesmonitoring.

In de huidige studie, individuele koolstofnanobuisjes worden onderzocht. Nanobuisjes zijn er in verschillende diameters en kunnen van metaal of halfgeleidend zijn. Raman-spectroscopie is bijzonder gevoelig voor de moleculaire structuur die deze eigenschappen bepaalt, en Raman-beeldvorming maakt het mogelijk om dit voor individuele nanobuisjes te bepalen. Echter, conventionele Raman-verstrooiing heeft last van een inherent laag signaal, wat bijzonder ernstig is voor beeldvormingstoepassingen en bij het bestuderen van individuele nanosystemen. "Onze aanpak is om het monster van nanobuisjes te plaatsen, verspreid op een substraat, binnenkant van een microscopische holte, waar optische resonanties kunnen worden benut om het Raman-verstrooiingsproces te verbeteren. Tegelijkertijd, de holte kan over het monster worden gescand en focust het licht tot een puntgrootte niet te ver van de diffractielimiet, zodat afbeeldingen met een hoge resolutie kunnen worden gegenereerd", legt dr. David Hunger uit, een van de wetenschappers die aan het project werkt. "De holte versterkt zowel het Raman-verstrooiingsproces als de absorptie van het monster. Hierdoor kan men ultragevoelige absorptiemicroscopie combineren met Raman-beeldvorming binnen een enkele meting."

Om het holteverbeteringseffect groot te maken, uiteindelijk zijn er kleine holtes nodig die licht kunnen opslaan voor vele duizenden circulaties - wat een bijzondere uitdaging is wanneer daarnaast scanmogelijkheden voor beeldvormingsdoeleinden gewenst zijn. In de microholte-opstelling, ontwikkeld door Dr. David Hunger en zijn team, de ene kant van de resonator is gemaakt van een vlakke spiegel die tegelijkertijd dient als drager voor het onderzochte monster. De tegenhanger is een sterk gekromde microspiegel aan het eindfacet van een optische vezel. Via deze vezel wordt laserlicht in de resonator gekoppeld. De vlakke spiegel wordt punt voor punt verplaatst ten opzichte van de vezel om het monster stap voor stap in het brandpunt van de holtemodus te brengen. Tegelijkertijd, de afstand tussen beide spiegels wordt zodanig aangepast dat de resonantieconditie voor de holte overeenkomt met een resonantie van een Raman-verstrooiingsproces. Dit vereist positioneringsnauwkeurigheid in het bereik van tientallen picometers. "Om een ​​volledig Raman-spectrum te verkrijgen, we stemmen de spiegelscheiding stapsgewijs af om een ​​holteresonantie over het gewenste spectrale bereik te vegen en het holte-versterkte Raman-verstrooiingssignaal te verzamelen, " legt Thomas Hümmer uit, de leidende promovendus bij het experiment. "Omdat de holteresonanties extreem smal zijn, dit kan leiden tot een spectrale resolutie die veel verder gaat dan de mogelijkheden van conventionele Raman-spectrometers."

Tegelijkertijd, het Raman-signaal wordt sterk versterkt, vanwege het zogenaamde Purcell-effect. Dit effect komt van de verhoogde vacuümfluctuaties en de lange levensduur van de fotonen in de microholte. In het experiment, dit leidt tot een verbetering van het resonantielicht tot een factor 320. Bij vergelijking van het netto signaal verkregen uit een enkele Raman-lijn vanuit de holte met het signaal verkregen met de best mogelijke conventionele microscoop, het holte-experiment bereikt een meer dan 6-voudige toename. Verdere verbeteringen moeten het mogelijk maken om deze verbetering in de toekomst met verschillende ordes van grootte te vergroten.

Het volledige potentieel van de techniek wordt vervolgens gedemonstreerd door holte-versterkte hyperspectrale beeldvorming. Bij een dergelijke meting holte-verbeterde Raman-spectra worden op veel plaatsen op de spiegel geregistreerd, en een ruimtelijk beeld kan worden geconstrueerd, weergeven van bijv. de sterkte of de lijnvorm van Raman-lijnen. "In ons experiment bestuderen we een bepaalde Raman-overgang, die gevoelig is voor de diameter en de elektronische eigenschappen van de nanobuis. Uit het hyperspectrale beeld kunnen we de grootte van een grote reeks individuele buizen afleiden en bepalen of ze van metaal of halfgeleidend zijn, " legt Thomas Hümmer uit. Zo'n analyse kan cruciale informatie over een monster opleveren.

De toepasbaarheid van de methode op een grote verscheidenheid aan monsters maakt het een veelbelovend hulpmiddel voor Raman-beeldvorming met één molecuul. Verder, het schema kan worden uitgebreid om Raman-lasers te bouwen met een verscheidenheid aan nieuwe materialen, of het kan worden gebruikt om kwantumcontrole over moleculaire trillingen te krijgen.