Un estudio publicado en Luz:ciencia y aplicaciones abre nuevas vías para estudios fundamentales de acoplamiento fuerte vibracional, así como para el desarrollo de nuevos sensores infrarrojos para el reconocimiento químico de cantidades muy pequeñas de moléculas. La interacción de la luz y la materia a nanoescala es un elemento clave para muchos estudios fundamentales y aplicaciones tecnológicas, que van desde la captación de luz hasta la detección de pequeñas cantidades de moléculas.

En décadas recientes, Se han implementado muchas estrategias para mejorar las interacciones luz-materia a nanoescala. Un enfoque se basa en concentrar la luz con la ayuda de polaritones de plasmones superficiales localizados y propagados, que son oscilaciones colectivas de electrones en metales o semiconductores que están acoplados a la luz. Estas excitaciones electromagnéticas pueden concentrar la luz en puntos a nanoescala, los denominados hotspots. En frecuencias de infrarrojo medio, permiten la detección de pequeñas cantidades de moléculas. Este método se denomina espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en la superficie (SEIRA). Sin embargo, Las estructuras plasmónicas típicas del infrarrojo medio sufren grandes pérdidas y no alcanzan la máxima concentración de luz.

Un enfoque interesante pero mucho menos explorado para mejorar la interacción luz-materia a nanoescala se basa en materiales infrarrojos-fonónicos, en el que la luz se acopla a las vibraciones de la red cristalina para formar los llamados polaritones de fonones. "Los resonadores de fonón-polaritón ofrecen pérdidas y confinamiento de campo mucho más bajos que sus homólogos plasmónicos de infrarrojo medio. Por esa razón, decidimos desarrollar y aplicar resonadores fonónicos infrarrojos para mejorar el acoplamiento de la luz infrarroja a las vibraciones moleculares, "dice la postdoctora Marta Autore, primer autor del artículo.

Para desarrollar un método de SEIRA fonónico, los investigadores fabricaron un conjunto de matrices de cintas hechas de escamas de nitruro de boro hexagonal (h-BN). Por espectroscopia de transmisión infrarroja, observaron resonancias estrechas de fonón polaritón. Luego, depositaron capas delgadas de una molécula orgánica sobre las cintas. Condujo a una fuerte modificación de la resonancia phonon polariton, que podría usarse para detectar cantidades ultrapequeñas de moléculas (N <10 ^-15 mol) que no eran detectables al depositarse sobre sustratos convencionales.

"Curiosamente, cuando depositamos capas más gruesas de moléculas sobre las cintas, observamos una división de la resonancia del polaritón del fonón. Esta es una firma típica de un fenómeno que se conoce como acoplamiento fuerte. En este régimen, la interacción de la luz y la materia es tan fuerte que excitantes fenómenos como la modificación de reacciones químicas, Puede producirse condensación de polariton o transferencia de energía de largo alcance y ultrarrápida, "dice Rainer Hillenbrand, líder de grupo en nanoGUNE que dirigió el trabajo. "En el futuro, queremos echar un vistazo más de cerca al fuerte acoplamiento mejorado por fonones y lo que podríamos hacer con él ".

Los hallazgos muestran el potencial de los resonadores de polaritones de fonones para convertirse en una nueva plataforma para la detección en el infrarrojo medio de cantidades ultrapequeñas de materiales y para explorar un fuerte acoplamiento a nanoescala. abriendo el camino para futuros estudios fundamentales de fenómenos cuánticos o aplicaciones como la modificación local de la fuerza de los enlaces químicos y la catálisis selectiva a nanoescala.