Fotoniska kaviteter är en viktig del av många moderna optiska enheter, från laserpekare till mikrovågsugnar. Precis som vi kan lagra vatten i en tank och skapa stående vågor på vattenytan, vi kan begränsa ljus i en fotonisk resonator vars väggar är starkt reflekterande. Precis som vattenytans vågor beror på tankens geometri (form, djup), specifika optiska lägen kan skapas i en fotonisk kavitet vars egenskaper (färg och rumslig fördelning av intensitet) kan ställas in genom att ändra kavitetens dimensioner. När storleken på kaviteten är mycket liten - mycket mindre än våglängden på ljuset som begränsar den (nano-kavitet i fallet med synligt ljus) - uppstår en intensifieringseffekt av ljuset som är så stark att det påverkar elektronerna på kavitetens väggar. En blandning mellan fotoner och elektroner bildas då, ger upphov till hybridlägen mellan ljus och materia, kända som plasmoner.

Plasmoner i optiska nanokaviteter är extremt viktiga för många applikationer som kemiska sensorer som tillåter detektering av enskilda molekyler, eller tillverkning av nanolasrar som kunde fungera med knappt någon elektrisk strömförbrukning. Dock, karakteriseringen av dessa plasmoniska lägen är i allmänhet mycket komplex, på grund av den lilla storleken på hålrummen som gör det extremt svårt att komma åt dem med externa signaler.

Å andra sidan, tunneleffekten är en av de mest karakteristiska, mystiska och bäst dokumenterade effekter av kvantmekanik. I en tunnelprocess, en partikel (t.ex. en elektron) kan passera genom en smal barriär (utrymmet som separerar två metaller på nanometriska avstånd) trots att den inte har tillräckligt med energi för att övervinna den. Det är som om vi skulle kunna passera från den ena sidan till den andra av den kinesiska muren utan att behöva hoppa över den.

Hur otroligt det än kan verka, partiklar från kvantvärlden kan göra detta under vissa förutsättningar. I de flesta av dessa processer, energin hos partikeln före och efter processen är densamma. Dock, i en liten bråkdel av dessa händelser, partikeln kan ge upp en del av sin energi, till exempel, genom att generera ljus, som är känd som den oelastiska tunnelprocessen. Även om det är välkänt att egenskaperna hos det ljus som emitteras i den oelastiska tunnelprocessen mellan två metaller beror på de plasmoniska moderna som finns i kaviteten, det beror också starkt på energifördelningen hos de partiklar som utför tunnelprocessen.

Tills nu, det hade varit omöjligt att otvetydigt skilja mellan dessa två effekter och därför extrahera informationen om de plasmoniska moderna från analysen av ljuset som emitterats av tunneleffekten.

Forskare från Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia och IFIMAC har utvecklat en metod för att övervinna detta problem genom att samtidigt bestämma energifördelningen för tunnelelektronerna och ljuset som emitteras i ett skanningstunnelmikroskop. De har utnyttjat tunneleffekten för att skapa optiska resonatorer av atomära dimensioner och för att studera deras optiska egenskaper, för första gången reda ut bidragen till följd av energin från tunnelpartiklarna från effekterna som härrör från de plasmoniska moderna i kaviteten.

Detta arbete föreslår en ny metodik för karakterisering av ljus-materia-interaktion vid atomstorlek, och kan ha viktiga tekniska konsekvenser för utvecklingen av kemiska sensorer för enskilda molekyler, nya källor för enkla eller sammanflätade fotoner eller nanolasrar som är aktiva vid extremt låga pumpeffekter.

Forskningen har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Naturkommunikation .