Hur en forskare tänker sig en kemisk reaktion i en optisk kavitet. Kredit:Enrico Ronca, IPCF-CNR
En forskargrupp från NTNU studerar ett ämne som kallas optiska kaviteter och hur ljuset som fångas i dem interagerar med atomer, molekyler och andra partiklar. Tekniken kan visa sig vara värdefull för utveckling av till exempel energieffektiva kemiska processer eller läkemedelssyntes.
Arbetet av professor Henrik Koch och Ph.D. kandidaterna Rosario R. Riso, Tor S. Haugland och Marcus T. Lexander har visat uppseendeväckande resultat och får uppmärksamhet.
"Vi har observerat en effektiv metod för att beskriva molekyler i optiska kaviteter", säger professor Koch, som är anställd både vid NTNU:s institution för kemi vid den naturvetenskapliga fakulteten och Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS) i Italien.
Deras resultat publicerades nyligen i Physical Review X och Nature Communications .
Optiska hålrum?
Men vad är optiska kaviteter egentligen? Först och främst, kom ihåg att på den här skalan verkar världen lite annorlunda än de flesta av oss är vana vid.
Inom kvantmekaniken är partiklar och vågor omöjliga att skilja eftersom de har vad som kallas en våg-partikeldualitet, eller en vågfunktion.
Vi kan inte heller skilja mellan partiklar och ljus i optiska kaviteter, som har en molekyl-ljus-dualitet. Denna koppling skapar nya färger och egenskaper i molekylerna som kan användas i kemiska och fysikaliska processer.
Reflekterande speglar
Optiska kaviteter kan skapas genom att använda två speglar som är extremt nära varandra, vanligtvis nanometer från varandra. För att förstå molekyler krävs att man tittar på miljön de befinner sig i.
Alla atomer och molekyler, som syret i norrskenet, avger ljus eftersom de interagerar med svagt ljus som alltid finns i ett vakuum, eller "tomt" utrymme. Den speciella egenskapen i detta fall är att ljuset i en tom optisk kavitet inte är detsamma som ljuset i vakuumet utanför. Att placera en molekyl inuti kaviteten kommer att ändra både färgen och intensiteten på ljuset som kommer från molekylen.
"I en optisk kavitet gjord av reflekterande speglar kan molekyler interagera starkt med det kvantmekaniska vakuumet", säger Koch.
Forskargruppen arbetar uteslutande med simuleringar, så det är viktigt att samarbeta med en experimentgrupp som kan testa om teamets teorier stämmer.
För detta ändamål arbetar forskargruppen med professor John de Mello och Ph.D. kandidat Enkui Lian från NTNU Nano för att tillverka prototyper för användning i forskning.
En vanlig teori
Molekylär orbitalteori är ett viktigt teoretiskt verktyg inom kemi och används flitigt inom både oorganisk och organisk kemi för att förstå kemiska reaktioner.
"Vi har hittat den första konsekventa molekylära orbitala teorin för kvantelektrodynamik - det vill säga en molekylär orbitalteori för molekyler i optiska håligheter", säger Koch.
Using this theory, scientists can predict how molecules will react inside optical cavities, as well as what kinds of colors and properties the molecules will have. + Utforska vidare
