När en molekyl avger en blinkning av ljus, det förväntar sig inte att det någonsin kommer tillbaka. Men forskare har nu lyckats placera enstaka molekyler i en så liten optisk hålighet som avger fotoner, eller ljuspartiklar, återgå till molekylen innan de lämnat ordentligt. Energin pendlar fram och tillbaka mellan ljus och molekyl, vilket resulterar i en fullständig blandning av de två.

Tidigare försök att blanda molekyler med ljus har varit komplexa att producera och endast uppnåbara vid mycket låga temperaturer, men forskarna, ledd av University of Cambridge, har utvecklat en metod för att producera dessa "halvlätta" molekyler vid rumstemperatur.

Dessa ovanliga interaktioner mellan molekyler och ljus ger nya sätt att manipulera materiens fysikaliska och kemiska egenskaper, och kan användas för att behandla kvantinformation, hjälp i förståelsen av komplexa processer vid arbete i fotosyntes, eller till och med manipulera de kemiska bindningarna mellan atomer. Resultaten rapporteras i journalen Natur .

För att använda enstaka molekyler på detta sätt, forskarna var tvungna att på ett tillförlitligt sätt konstruera hålrum endast en nanometer över för att fånga ljus. De använde det lilla gapet mellan en guld -nanopartikel och en spegel, och placerade en färgad färgmolekyl inuti.

"Det är som en spegelsal för en molekyl, bara hundra tusen gånger tunnare än ett människohår, "sade professor Jeremy Baumberg från NanoPhotonics Center vid Cambridge's Cavendish Laboratory, som ledde forskningen.

För att uppnå molekyl-ljus-blandningen, färgmolekylerna behövde placeras korrekt i det lilla gapet. "Våra molekyler gillar att ligga platt på guldet, och det var verkligen svårt att övertyga dem om att stå upprätt, "sa Rohit Chikkaraddy, huvudförfattare till studien.

För att lösa detta, laget gick med ett team av kemister i Cambridge under ledning av professor Oren Scherman för att inkapsla färgämnena i ihåliga fatformade molekylära burar som kallas cucurbiturils, som kan hålla färgmolekylerna i önskat upprätt läge.

När de monteras ihop korrekt, molekylens spridningsspektrum delas upp i två separerade kvanttillstånd som är signaturen för denna "blandning". Detta avstånd i färg motsvarar fotoner som tar mindre än en biljonedel av en sekund för att komma tillbaka till molekylen.

Ett viktigt framsteg var att visa stark blandning av ljus och materia var möjligt för enstaka molekyler även med stor absorption av ljus i metallen och vid rumstemperatur. "Att hitta enkelmolekylsignaturer tog månader av datainsamling, sa Chikkaraddy.

Forskarna kunde också observera steg i färgavståndet mellan tillstånden som motsvarar om en, två, eller tre molekyler var i gapet.