Forskare från CIC nanoGUNE BRTA (San Sebastian, Spanien), i samarbete med Donostia International Physics Center (San Sebastián, Spanien) och universitetet i Oviedo (Spanien) använde en spektroskopisk nanobildteknik för att studera hur infrarött nanoljus – i form av fononpolaritoner – och molekylära vibrationer interagerar med varandra.

Bilderna visar att vibrationsstark koppling kan uppnås, vilket är ett fenomen som nyligen väckt stor uppmärksamhet för dess potentiella användning för att kontrollera grundläggande fysikaliska och kemiska materialegenskaper. Resultatet skulle kunna leda till utvecklingen av en ny plattform för kemisk identifiering på chip av små mängder molekyler och för att studera grundläggande aspekter av starka kopplingsfenomen på nanometerskala. Verket har publicerats i Nature Photonics .

Ljus spelar en viktig roll i modern vetenskap och teknik, med applikationer som sträcker sig från snabb optisk kommunikation till medicinsk diagnos och laserkirurgi. I många av dessa applikationer, ljusets växelverkan med materia är av grundläggande betydelse.

Vid infraröda frekvenser, ljus kan interagera med molekyler via deras vibrationer som uppstår vid molekylspecifika frekvenser. Av den anledningen, molekylära material kan identifieras genom att mäta deras infraröda reflektion eller transmissionsspektra. Denna teknik, kallas ofta infraröd fingeravtrycksspektroskopi, används ofta för analys av kemikalier, biologiska och medicinska substanser.

Nyligen, det visade sig att interaktionen mellan infrarött ljus och molekylära vibrationer kan vara så stark att materialegenskaperna så småningom modifieras, såsom konduktivitet och kemisk reaktivitet. Denna effekt – kallad vibrationsstark koppling – kan uppstå när ett material placeras i en mikrokavitet (typiskt bildad av speglar som är åtskilda av mikrometerstora avstånd) där ljuset är koncentrerat.

Styrkan i interaktionen mellan ljus och materia beror starkt på mängden materia. Följaktligen, interaktionen försvagas när antalet molekyler minskar, utmanande applikationer för infraröd spektroskopi och så småningom förhindra att stark vibrationskoppling uppnås. Detta problem kan övervinnas genom att koncentrera ljus i nanokaviteter eller genom att komprimera dess våglängd, vilket leder till lätt inneslutning.

"En särskilt stark komprimering av infrarött ljus kan uppnås genom att koppla det till gittervibrationer (fononer) av tunna lager av högkvalitativa polära kristaller. Denna koppling leder till bildandet av infraröda vågor - så kallade fononpolaritoner - som utbreder sig längs kristallskikt med en våglängd som kan vara mer än tio gånger mindre än motsvarande ljusvåg i fritt utrymme, " säger Andrei Bylinkin, verkets första författare.

Nu, forskarna har studerat kopplingen mellan molekylvibrationer och fortplantande fononpolaritoner. Först, de placerade ett tunt lager av hexagonal bornitrid (mindre än 100 nm tjockt) ovanpå organiska molekyler. Hexagonal bornitrid är en van der Waals-kristall från vilken tunna högkvalitativa lager lätt kan erhållas genom exfoliering. Nästa, det var nödvändigt att generera fononpolaritoner i det tunna bornitridskiktet. "Detta kan inte uppnås genom att bara lysa infrarött ljus på bornitridskiktet, eftersom ljusets rörelsemängd är mycket mindre än rörelsemängden för fononpolaritonerna, " säger Andrei Bylinkin.

Problemet med momentumfelanpassningen löstes med hjälp av den vassa metallspetsen på ett skanande närfältsmikroskop, som fungerar som en antenn för infrarött ljus och koncentrerar det till en infraröd fläck i nanoskala vid spetsens spets som ger den nödvändiga farten för att generera fononpolaritoner. Mikroskopet spelar också en andra viktig roll. "Det gjorde det möjligt för oss att avbilda fononpolaritonerna som fortplantar sig längs bornitriden medan de interagerar med de närliggande organiska molekylerna, " säger Rainer Hillenbrand som ledde studien. "På så sätt kunde vi observera i verkliga rymden hur fononpolaritonerna kopplar ihop med molekylära vibrationer, därigenom bildar hybridpolaritoner, " han lade till.

Uppsättningen bilder som spelades in vid olika infraröda frekvenser runt resonansen av molekylära vibrationer avslöjade olika grundläggande aspekter. Hybridpolaritonerna är kraftigt dämpade vid frekvensen av den molekylära vibrationen, vilket kan vara intressant för framtida on-chip-avkänningsapplikationer. De spektralt upplösta bilderna visade också att vågorna fortplantar sig med negativ grupphastighet, och viktigast, att kopplingen mellan fononpolaritonerna och de molekylära vibrationerna är så stark att den faller inom regimen för vibrationsstark koppling.

"Med hjälp av elektromagnetiska beräkningar kunde vi bekräfta våra experimentella resultat, och vidare förutsäga att stark koppling bör vara möjlig även mellan få atomtjocka lager av bornitrid och molekyler, " säger Alexey Nikitin.

Möjligheten till stark vibrationskoppling på den extrema nanometerskalan skulle kunna användas i framtiden för utveckling av ultrakänsliga spektroskopiapparater eller för att studera kvantaspekter av stark vibrationskoppling som hittills inte varit tillgängliga.