En studie publicerad i Ljus:Vetenskap och tillämpningar öppnar nya vägar för grundläggande studier av vibrationsstark koppling, samt för utvecklingen av nya infraröda sensorer för kemisk igenkänning av mycket små mängder molekyler. Interaktionen mellan ljus och materia på nanoskala är ett nyckelelement för många grundläggande studier och tekniska tillämpningar, allt från ljusskörd till detektion av små mängder molekyler.

Under de senaste decennierna, många strategier har implementerats för att förbättra interaktioner mellan ljus och materia i nanoskala. Ett tillvägagångssätt bygger på att koncentrera ljus med hjälp av förökande och lokaliserade ytplasmonpolaritoner, som är kollektiva elektronsvängningar i metaller eller halvledare som är kopplade till ljus. Dessa elektromagnetiska excitationer kan koncentrera ljus till fläckar i nanoskala, så kallade hotspots. Vid mellaninfraröda frekvenser, de möjliggör detektering av små mängder molekyler. Denna metod kallas ytförstärkt infraröd absorption (SEIRA) spektroskopi. Dock, typiska mellaninfraröda plasmoniska strukturer lider av stora förluster och uppnår inte den ultimata ljuskoncentrationen.

En intressant men mycket mindre utforskad metod för att förbättra interaktion mellan ljus och materia i nanoskala är baserad på infraröd-fononiska material, där ljus kopplas till kristallgittervibrationer för att bilda så kallade fononpolaritoner. "Phonon-polariton resonatorer erbjuder mycket lägre förluster och fältinneslutning än sina medelinfraröda plasmoniska motsvarigheter. Av den anledningen, vi bestämde oss för att utveckla och använda infraröd-fononiska resonatorer för att förbättra kopplingen av infrarött ljus till molekylära vibrationer, " säger postdoc Marta Autore, tidningens första författare.

För att utveckla en metod för fononisk SEIRA, forskarna tillverkade en uppsättning banduppsättningar gjorda av hexagonala bornitrid (h-BN)-flingor. Genom infraröd transmissionsspektroskopi, de observerade smala fononpolaritonresonanser. Sedan, de avsatte tunna lager av en organisk molekyl på banden. Det ledde till en kraftig modifiering av fononpolaritonresonansen, som skulle kunna användas för att detektera ultrasmå mängder molekyler (N <10 ^-15 mol) som inte var detekterbara när de avsattes på konventionella substrat.

"Intressant, när vi deponerade tjockare lager av molekyler på banden, vi observerade en splittring av fononpolaritonresonansen. Detta är en typisk signatur för ett fenomen som kallas stark koppling. I denna regim, samspelet mellan ljus och materia är så starkt att spännande fenomen som modifiering av kemiska reaktioner, polaritonkondensation eller långväga och ultrasnabb energiöverföring kan inträffa, säger Rainer Hillenbrand, gruppledare på nanoGUNE som ledde arbetet. "I framtiden, vi vill ta en närmare titt på fononförstärkt stark koppling och vad vi kan göra med den."

Upptäckten visar potentialen hos fononpolaritonresonatorer att bli en ny plattform för medelinfraröd avkänning av ultrasmå mängder material och för att utforska stark koppling i nanoskala, öppnar vägen för framtida grundläggande studier av kvantfenomen eller tillämpningar som lokal modifiering av kemisk bindningsstyrka och selektiv katalys på nanoskala.