Los nanotubos de carbono se pueden producir con una variedad de formas y propiedades y, por lo tanto, son de gran interés para aplicaciones generalizadas en campos tan diversos como la electrónica. fotónica, nanomecánica, y óptica cuántica. De ahí que sea importante tener a mano una herramienta que permita determinar estas propiedades de forma rápida y precisa. La espectroscopía Raman es particularmente sensible a la estructura química que da lugar a estas propiedades. Sin embargo, las señales son intrínsecamente débiles y requieren técnicas de mejora. Ahora, un equipo de investigadores de la División de Espectroscopía Láser del Prof. Theodor W. Hänsch (Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y Presidente de Física Experimental en la Ludwig-Maximilians-Universität, Munich) ha desarrollado una técnica, donde se utiliza una microcavidad óptica para mejorar las señales de dispersión Raman, y lo utilizó para diagnósticos moleculares mediante imágenes de absorción y Raman combinadas. A diferencia de otras técnicas, el nuevo enfoque solo se basa en el aumento de las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético dentro de una cavidad, que permite una mejora significativa sin un fondo no deseado, y por lo tanto convierte a la técnica en una herramienta prometedora para la formación de imágenes moleculares.

Cada especie molecular tiene su propia huella dactilar de frecuencias vibratorias que transporta información sobre su estructura química. La espectroscopía Raman permite detectar ópticamente el espectro vibracional de una manera poderosa mediante la dispersión de luz inelástica. Como técnica óptica, puede permitir la obtención de imágenes espaciales y, por lo tanto, combinar el contraste químico con una alta resolución espacial. Esta capacidad abre una gran variedad de aplicaciones para la microscopía Raman, que van desde el análisis de muestras biológicas hasta la caracterización de nanomateriales y el seguimiento de procesos industriales.

En el presente estudio, Se investigan nanotubos de carbono individuales. Los nanotubos vienen en una variedad de diámetros y pueden ser metálicos o semiconductores. La espectroscopia Raman es particularmente sensible a la estructura molecular que gobierna estas propiedades, y las imágenes Raman permiten determinar esto para nanotubos individuales. Sin embargo, La dispersión Raman convencional sufre de una señal inherentemente baja, que es particularmente severo para aplicaciones de imágenes y cuando se estudian nanosistemas individuales. "Nuestro enfoque es colocar la muestra de nanotubos, dispersos sobre un sustrato, dentro de una cavidad microscópica, donde se pueden aprovechar las resonancias ópticas para mejorar el proceso de dispersión Raman. Al mismo tiempo, la cavidad se puede escanear a través de la muestra y enfoca la luz a un tamaño de punto no muy lejos del límite de difracción, de modo que se puedan generar imágenes de alta resolución ", explica el Dr. David Hunger, uno de los científicos que trabaja en el proyecto. "La cavidad amplifica tanto el proceso de dispersión Raman como la absorción de la muestra. Esto permite combinar microscopía de absorción ultrasensible con imágenes Raman en una sola medición".

Para agrandar el efecto de mejora de la cavidad, en última instancia, se requieren pequeñas cavidades capaces de almacenar luz para muchos miles de circulaciones, lo cual es un desafío particular cuando, además, se desean capacidades de escaneo con fines de obtención de imágenes. En la configuración de microcavidad, desarrollado por el Dr. David Hunger y su equipo, un lado del resonador está formado por un espejo plano que sirve al mismo tiempo como portador de la muestra bajo investigación. La contraparte es un microespejo fuertemente curvado en la cara final de una fibra óptica. La luz láser se acopla al resonador a través de esta fibra. El espejo plano se mueve punto por punto con respecto a la fibra para llevar la muestra paso a paso al foco del modo de cavidad. Al mismo tiempo, la distancia entre ambos espejos se ajusta de modo que la condición de resonancia de la cavidad se corresponda con la resonancia de un proceso de dispersión Raman. Esto requiere una precisión de posicionamiento en el rango de decenas de picómetros. "Para obtener un espectro Raman completo, ajustamos gradualmente la separación del espejo para barrer una resonancia de cavidad a través del rango espectral deseado y recolectar la señal de dispersión Raman mejorada por cavidad, "explica Thomas Hümmer, el estudiante de doctorado líder en el experimento. "Dado que las resonancias de la cavidad son extremadamente estrechas, esto puede conducir a una resolución espectral mucho más allá de las capacidades de los espectrómetros Raman convencionales ".

Al mismo tiempo, la señal Raman está fuertemente mejorada, debido al llamado efecto Purcell. Este efecto proviene del aumento de las fluctuaciones del vacío y la gran vida útil de los fotones dentro de la microcavidad. En el experimento, esto conduce a una mejora de la luz resonante hasta en un factor 320. Cuando se compara la señal neta obtenida de una sola línea Raman desde la cavidad con la señal obtenida con el mejor microscopio convencional posible, el experimento de la cavidad logra un aumento de más de 6 veces. Otras mejoras deberían permitir impulsar esta mejora en varios órdenes de magnitud en el futuro.

A continuación, se demuestra todo el potencial de la técnica mediante imágenes hiperespectrales mejoradas con cavidad. En tal medida, Los espectros Raman mejorados por cavidades se registran en muchos lugares del espejo, y se puede construir una imagen espacial, mostrando, p. ej. la fuerza o la forma de las líneas Raman. "En nuestro experimento, estudiamos una transición Raman en particular, que es sensible al diámetro y las propiedades electrónicas del nanotubo. A partir de la imagen hiperespectral podemos deducir el tamaño de un gran conjunto de tubos individuales y determinar si son metálicos o semiconductores. "explica Thomas Hümmer. Un análisis de este tipo puede proporcionar información crucial sobre una muestra.

La aplicabilidad del método a una gran variedad de muestras lo convierte en una herramienta prometedora para la obtención de imágenes Raman de una sola molécula. Es más, el esquema podría extenderse para construir láseres Raman con una variedad de materiales novedosos, o podría usarse para ganar control cuántico sobre las vibraciones moleculares.