Kolnanorör kan tillverkas med en mängd olika former och egenskaper och är därför av stort intresse för utbredda tillämpningar inom så olika områden som elektronik, fotonik, nanomekanik, och kvantoptik. Därför är det viktigt att ha ett verktyg till hands som gör det möjligt att fastställa dessa egenskaper på ett snabbt och exakt sätt. Ramanspektroskopi är särskilt känslig för den kemiska struktur som ger upphov till dessa egenskaper. Dock, signalerna är i sig svaga och kräver förbättringstekniker. Nu, ett team av forskare vid Laser Spectroscopy Division av Prof. Theodor W. Hänsch (direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics och ordförande för experimentell fysik vid Ludwig-Maximilians-Universität, München) har utvecklat en teknik, där en optisk mikrokavitet används för att förbättra Raman-spridningssignaler, och använde den för molekylär diagnostik genom kombinerad Raman och absorptionsavbildning. I motsats till andra tekniker, det nya tillvägagångssättet bygger bara på ökade vakuumfluktuationer av det elektromagnetiska fältet inuti en kavitet, som möjliggör betydande förbättringar utan oönskad bakgrund, och gör därigenom tekniken till ett lovande verktyg för molekylär avbildning.

Varje molekylart har sitt eget fingeravtryck av vibrationsfrekvenser som bär information om dess kemiska struktur. Ramanspektroskopi gör det möjligt att optiskt detektera vibrationsspektrat på ett kraftfullt sätt genom oelastisk ljusspridning. Som en optisk teknik, den kan möjliggöra rumslig avbildning och därigenom kombinera kemisk kontrast med hög rumslig upplösning. Denna förmåga öppnar upp ett stort antal applikationer för Raman-mikroskopi, allt från analys av biologiska prover till karakterisering av nanomaterial och industriell processövervakning.

I föreliggande studie, enskilda kolnanorör undersöks. Nanorör kommer i en mängd olika diametrar och kan vara antingen metalliska eller halvledande. Ramanspektroskopi är särskilt känslig för den molekylära strukturen som styr dessa egenskaper, och Raman-avbildning gör det möjligt att bestämma detta för individuella nanorör. Dock, konventionell Raman-spridning lider av i sig låg signal, vilket är särskilt allvarligt för avbildningstillämpningar och när man studerar enskilda nanosystem. "Vår metod är att placera provet av nanorör, dispergerat på ett substrat, inuti ett mikroskopiskt hålrum, där optiska resonanser kan utnyttjas för att förbättra Raman-spridningsprocessen. På samma gång, kaviteten kan skannas över provet och fokuserar ljuset till en punktstorlek inte alltför långt från diffraktionsgränsen, så att högupplösta bilder kan genereras", förklarar Dr. David Hunger, en av forskarna som arbetar med projektet. "Kaviteten förstärker både Raman-spridningsprocessen och absorptionen från provet. Detta gör att man kan kombinera ultrakänslig absorptionsmikroskopi med Raman-avbildning inom en enda mätning."

För att göra kavitetsförstärkningseffekten stor, i slutändan krävs små kaviteter som kan lagra ljus för många tusen cirkulationer – vilket är en speciell utmaning när man dessutom önskar skanningsmöjligheter för avbildningsändamål. I mikrokavitetskonfigurationen, utvecklad av Dr. David Hunger och hans team, ena sidan av resonatorn är gjord av en plan spegel som samtidigt tjänar som bärare för provet som undersöks. Motsvarigheten är en kraftigt böjd mikrospegel på ändfacetten av en optisk fiber. Laserljus kopplas in i resonatorn genom denna fiber. Den plana spegeln flyttas punkt för punkt med avseende på fibern för att föra provet steg för steg in i fokus för kavitetsmoden. På samma gång, avståndet mellan båda speglarna justeras så att resonansvillkoret för kaviteten matchas med en resonans av en Raman-spridningsprocess. Detta kräver positioneringsnoggrannhet inom området tiotals pikometer. "För att få ett fullständigt Raman-spektrum, vi ställer in spegelseparationen stegvis för att svepa en kavitetsresonans över det önskade spektralområdet och samla in den kavitetsförstärkta Raman-spridningssignalen, " förklarar Thomas Hümmer, den ledande doktoranden vid experimentet. "Eftersom kavitetsresonanserna är extremt smala, detta kan leda till en spektral upplösning långt utöver kapaciteten hos konventionella Raman-spektrometrar."

På samma gång, Raman-signalen är starkt förstärkt, på grund av den så kallade Purcell-effekten. Denna effekt kommer från de ökade vakuumfluktuationerna och den stora fotonlivslängden inuti mikrokaviteten. I experimentet, detta leder till en förstärkning av resonansljuset med upp till en faktor 320. När man jämför nettosignalen som erhålls från en enda Raman-linje från kaviteten med signalen som erhålls med bästa möjliga konventionella mikroskop, kavitetsexperimentet uppnår en mer än 6-faldig ökning. Ytterligare förbättringar bör göra det möjligt att öka denna förbättring med flera storleksordningar i framtiden.

Teknikens fulla potential visas sedan genom hålrumsförstärkt hyperspektral avbildning. I en sådan mätning, kavitetsförstärkta Raman-spektra spelas in på många platser på spegeln, och en rumslig bild kan konstrueras, visar t.ex. styrkan eller linjeformen hos Raman-linjer. "I vårt experiment studerar vi en speciell Raman-övergång, som är känslig för nanorörets diameter och elektroniska egenskaper. Från den hyperspektrala bilden kan vi härleda storleken på en stor uppsättning individuella rör och avgöra om de är metalliska eller halvledande, " förklarar Thomas Hümmer. En sådan analys kan ge avgörande information om ett prov.

Metodens tillämpbarhet på en stor mängd prover gör den till ett lovande verktyg för Raman-avbildning av en enda molekyl. Vidare, schemat skulle kunna utvidgas till att bygga Raman-lasrar med en mängd nya material, eller det kan användas för att få kvantkontroll över molekylära vibrationer.