Cuando las moléculas están excitadas, pueden dar lugar a una variedad de fenómenos de conversión de energía, como la emisión de luz y la conversión fotoeléctrica o fotoquímica. Para desbloquear nuevas funciones de conversión de energía en materiales orgánicos, los investigadores deben poder comprender la naturaleza del estado de excitación de un material y controlarlo.

Hasta aquí, muchos científicos han utilizado técnicas de espectroscopia basadas en luz láser en investigaciones centradas en estados excitados. Sin embargo, no pudieron usar luz láser para examinar materiales a nanoescala, debido a sus limitaciones en la denominada difracción. Los métodos de medición espectroscópica aplicados a microscopios de sonda electrónica y de barrido que pueden observar sustancias con resoluciones atómicas, por otra parte, todavía están subdesarrollados.

Investigadores de RIKEN, la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST), La Universidad de Tokio y otros institutos de Japón han desarrollado recientemente una técnica de nanoespectroscopía láser que podría usarse para examinar moléculas individuales. Esta tecnica, presentado en un artículo publicado en Ciencias , podría abrir nuevas posibilidades para el desarrollo de diversas tecnologías nuevas, incluidos los diodos emisores de luz (LED), células fotovoltaicas y fotosintéticas.

"Es muy difícil observar sustancias a niveles atómicos e investigar directamente las propiedades del estado excitado de las sustancias, que ha sido uno de los obstáculos en la investigación de conversión de energía, "Hiroshi Imada, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En esta investigación, Combinamos microscopía de túnel de barrido (STM) con una espectroscopía láser para lograr una alta resolución espacial y energética al mismo tiempo, y con eso podríamos desvelar la naturaleza de las moléculas con una precisión sin precedentes ".

La técnica desarrollada por Imada y sus colegas utiliza luz láser para impulsar el campo electromagnético de un plasmón localizado formado en el espacio a nanoescala entre la punta del STM y el sustrato metálico a una frecuencia bien definida determinada por la energía del láser. La dimensión lateral del campo de plasmón es de aproximadamente 2 nm de diámetro y más pequeña que el punto de luz mínimo en la óptica convencional en dos órdenes de magnitud. Este campo sirve como monocromático a nanoescala, fuente de excitación móvil y sintonizable.

"El punto clave de nuestra investigación es que la frecuencia del plasmón activado se puede sintonizar ajustando la luz láser de irradiación externa, "Dijo Imada." El campo plasmónico sintonizado con precisión a la resonancia molecular resultó ser muy eficaz para excitar la única molécula bajo la observación STM, que nos permitió realizar nanospectroscopía con resolución de energía de microelectrones voltios ".

Si bien la técnica desarrollada por Imada y sus colegas se basa en métodos espectroscópicos fundamentales, potencialmente podría abrir nuevas oportunidades de investigación en el campo de la nanociencia. De hecho, en contraste con las técnicas de espectroscopia STM convencionales, su método no utiliza electrones tunelizados y es más similar a la espectroscopia láser convencional.

"Hemos demostrado que el campo plasmónico puede ser un punto láser a nanoescala con un tamaño de punto de 1/100, ", Dijo Imada." Anticipamos que se pueden realizar muchos tipos de espectroscopía láser con la resolución espacial extrema basada en nuestra configuración experimental, simplemente introduciendo nuevas fuentes de luz como láser de pulso corto, peine de frecuencia, dos pulsos sincronizados, etcétera.

En el futuro, la técnica introducida por este equipo de investigadores podría ayudar a desbloquear funciones de conversión de energía diseñadas específicamente en materiales orgánicos, al permitir que los científicos sintonicen los niveles de energía de los sistemas moleculares. Mientras tanto, los investigadores planean trabajar en una versión de su técnica con resolución temporal.

"Se sabe que existe una compensación entre resolución de tiempo y resolución de energía, pero la información sobre la escala de tiempo y los niveles de energía son muy importantes para comprender correctamente el proceso dinámico que tiene lugar en el estado excitado, ", Dijo Imada." Planeamos desarrollar nanospectroscopia ultrarrápida que sea compatible con la nanospectroscopia precisa desarrollada aquí para revolucionar la comprensión de la conversión de energía en sistemas moleculares ".

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