La interacción de la luz con la materia es la base de la espectroscopia, un conjunto de técnicas que se encuentran en el corazón de la física y la química. Desde la luz infrarroja hasta los rayos X, se utiliza un amplio barrido de longitudes de onda para estimular las vibraciones, transiciones de electrones, y otros procesos, explorando así el mundo de los átomos y las moléculas.

Sin embargo, una forma de luz menos utilizada es la región de terahercios (THz). Acostado en el espectro electromagnético entre infrarrojos y microondas, La radiación de THz tiene la frecuencia correcta (alrededor de 10 ¹² Hz) para excitar vibraciones moleculares. Desafortunadamente, su longitud de onda larga (cientos de micrómetros) es de alrededor de 100, 000 veces un tamaño molecular típico, haciendo imposible enfocar haces de THz en una sola molécula por medio de la óptica convencional. Solo se pueden estudiar grandes conjuntos de moléculas.

Recientemente, un equipo dirigido por el Instituto de Ciencias Industriales (IIS) de la Universidad de Tokio encontró una forma de solucionar este problema. En un estudio en Fotónica de la naturaleza , demostraron que la radiación de THz de hecho puede detectar el movimiento de moléculas individuales, superando el límite de difracción clásico para enfocar haces de luz. De hecho, el método fue lo suficientemente sensible como para medir el efecto túnel de un solo electrón.

El equipo de IIS mostró un diseño a nanoescala conocido como transistor de molécula única. Dos electrodos metálicos adyacentes, la fuente y el drenaje del transistor, se colocan sobre una oblea fina de silicio en forma de "pajarita". Luego, moléculas individuales, en este caso C60, también conocido como fullereno:se depositan en los espacios subnanométricos entre la fuente y el drenaje. Los electrodos actúan como antenas para enfocar con precisión el haz de THz sobre los fullerenos aislados.

"Los fullerenos absorben la radiación THz enfocada, haciéndolos oscilar alrededor de su centro de masa, "explica el primer autor del estudio, Shaoqing Du." La oscilación molecular ultrarrápida aumenta la corriente eléctrica en el transistor, además de su conductividad inherente ". Aunque este cambio de corriente es minúsculo, del orden de femto-amperios (fA), se puede medir con precisión con los mismos electrodos que se utilizan para atrapar las moléculas. De esta manera, Se trazaron dos picos vibracionales de alrededor de 0,5 y 1 THz.

De hecho, la medición es lo suficientemente sensible como para medir una ligera división de los picos de absorción, causado por sumar o restar un solo electrón. Cuando C60 oscila sobre una superficie metálica, su cuanto vibracional (vibrón) puede ser absorbido por un electrón en el electrodo metálico. Así estimulado, el electrón hace un túnel en la molécula C60. El C60 cargado negativamente resultante ^- La molécula vibra a una frecuencia ligeramente más baja que la neutral C60, absorbiendo así una frecuencia diferente de radiación THz.

Además de proporcionar una visión de los túneles, el estudio demuestra un método práctico para obtener información electrónica y vibrónica sobre moléculas que solo absorben débilmente los fotones THz. Esto podría abrir un uso más amplio de la espectroscopia THz, un método poco desarrollado que es complementario a la espectroscopia de luz visible y rayos X, y de gran relevancia para la nanoelectrónica y la computación cuántica.