Физики из Испании и Великобритании разработали методику заключения света в резонатор объемом всего в 1 кубический нанометр. Это помогло ученым изучить колебания отдельных связей в одиночной молекуле: резонатор усилил взаимодействия между колебаниями атомов и светом в миллион раз. По словам авторов, метод может стать основой для квантовой нелинейной оптики, работающей на молекулярном масштабе. Исследование опубликовано вжурнале Science.

Развертка рамановского спектра меркаптобифенила во времени. Полоски — пики, связанные с появлением оптических резонаторов в пространстве между золотой пластинкой и золотой наночастицей. Источники резонансов — перестроившиеся атомы. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной — частота. Felix Benz et al. / Science, 2016

Атомы в любых молекулах совершают колебания — в небольших пределах удлиняют и укорачивают химическую связь между собой, меняют  углы в молекулярной структуре. Заметить такие колебания можно с помощью инфракрасного излучения. Энергия инфракрасных фотонов сопоставима с энергией, требуемой для колебательных переходов в молекуле. Это приводит к поглощению квантов света — точное значение их энергии позволяет определить характеристики колебаний атомов. Сейчас на основе этого эффекта основаны методы исследования веществ с неизвестным строением — например, инфракрасная спектроскопия.

Как правило, в таких экспериментах используются макроскопические образцы. Но взаимодействие между веществом и излучением можно усилить, поместив вещество в оптический резонатор, свет в котором многократно отражается. С помощью благородных металлов (золота и других) физики уже научились создавать резонаторы с объемом всего в 30 кубических нанометров — этого достаточно для спектроскопии одиночных молекул. Такие размеры уже во много раз меньше, чем длина волны инфракрасного излучения. Долгое время считалось, что разрешение оптических резонаторов не может перешагнуть через порог в 10 нанометров, но ужепоявились исследования, в которых с помощью острой иглы физики читают последовательность оснований в РНК.

Авторы новой работы сделали следующий шаг в миниатюризации спектроскопии, создав оптические резонаторы объемом всего в один кубический нанометр, способные воздействовать на колебания отдельных химических связей в молекуле. Физики изучали оптические свойства золотой пластинки, на которой находился монослой органических молекул. На поверхности монослоя авторы поместили золотые наночастицы, после чего изучали рамановское рассеяние излучения на системе. Оказалось, что время от времени картина рамановского спектра менялась — в ней появлялись и исчезали новые пики. 

Схема эксперимента. Между золотой наночастицей и золотой подложкой находится монослой меркаптобифенила. Felix Benz et al. / Science, 2016

Физики рассчитали, чему могли соответствовать эти пики — оказалось, за них отвечали колебания в органической молекуле, обычно неактивные в рамановской спектроскопии. Проявить их могли лишь очень интенсивные световые поля, что и указало на возникновение субнанометровых резонаторов. Причиной их возникновения были отдельные атомы в наночастице золота, изменявшие свое положение под действием лазерного излучения. Золотая подложка при этом играла роль дополнительного зеркала в резонаторе. Ученые сравнивают атомы с громоотводами, с одной лишь разницей: громоотводы«притягивают» к себе электричество, а не свет.

Внутри оптического резонатора находился фрагмент монослоя меркаптобифенила. Большая интенсивность светового поля изменяла характер взаимодействия молекулы с инфракрасным излучением и активировала поглощение определенными связями. Для того чтобы поддерживать его существование, физики охлаждали систему до 10 кельвинов — это останавливало тепловое движение атомов золота. Благодаря этому за свойствами резонаторов можно было следить несколько минут. Это позволило авторам исследовать поведение атомов на уровне отдельных связей. Авторы отмечают, что взаимодействие света и вещества в резонаторах усиливалось примерно в миллион раз. Это гораздо больше, чем в традиционных оптомеханических резонаторах.

Возникновение оптического резонатора. Felix Benz et al. / Science, 2016

Оптические резонаторы используются не только в спектроскопии.К примеру, в лазерной технике резонатор обеспечивает накачку рабочего тела. Мы недавно писали о том, как встроив резонаторы в жировую ткань, физики из Гарвардской медицинской школы научились превращать клетки в лазеры. Кроме того, на базе резонаторов возможно создание памяти для фотонных компьютеров, в которых вместо электрического тока используется свет.

Автор: Владимир Королёв