Mezclan luz con moléculas a temperatura ambiente

Investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) han utilizado con éxito los estados cuánticos para mezclar una molécula con luz a temperatura ambiente, lo cual ayudará en la exploración de las tecnologías cuánticas y proporcionará nuevas maneras de manipular las propiedades físicas y químicas de la materia.

Cuando una molécula emite un parpadeo de luz, no espera que regrese. Sin embargo los investigadores han logrado colocar moléculas individuales en una cavidad óptica tan pequeña que los fotones, o partículas de luz, emitidos vuelven a la molécula antes de que se hayan ido del todo. La energía oscila hacia adelante y hacia atrás entre la luz y la molécula, lo que produce una mezcla completa de los dos.

Los intentos anteriores para mezclar moléculas con luz habían sido complejos de producir y sólo alcanzables a temperaturas muy bajas, pero ahora los investigadores han desarrollado un método para producir estas moléculas-luz a temperatura ambiente.

Estas interacciones inusuales de moléculas con luz proporcionan nuevas formas de manipular las propiedades físicas y químicas de la materia, y podrían utilizarse para procesar la información cuántica, ayudar a la comprensión de procesos complejos que tienen lugar en la fotosíntesis, o incluso para manipular los enlaces químicos entre los átomos. Los resultados se presentan en la revista Nature.

Para utilizar moléculas individuales de esta manera, los investigadores tuvieron que construir de forma fiable cavidades de solamente una mil millonésima parte de un metro (un nanómetro) de largo, con el fin de atrapar la luz. Utilizaron la pequeña brecha entre una nanopartícula de oro y un espejo, y colocaron dentro una molécula teñida de color.

"Es como una sala de espejos para una molécula, con un espacio cien mil veces más delgado que un cabello humano", dice el profesor Jeremy Baumberg del Centro de Nanofotónica del Laboratorio Cavendish de Cambridge, que dirigió la investigación.

Con el fin de lograr la mezcla luz-molécula, las moléculas de colorante debían colocarse correctamente en el pequeño espacio. "A nuestras moléculas les gusta tumbarse sobre el oro, y fue muy difícil convencerlas para ponerse de pie", dice Rohit Chikkaraddy, autor principal del estudio, en la nota de prensa de Cambridge.

'Jaulas' moleculares

Para solucionar esto, el equipo se unió a un equipo de químicos de Cambridge dirigido por el profesor Oren Scherman para encapsular los colorantes en jaulas moleculares con forma de barriles huecos, llamadas cucurbiturils, que son capaces de mantener las moléculas de colorante en la posición vertical deseada.

Entonces, el espectro de dispersión de la molécula se divide en dos estados cuánticos separados, que son el distintivo de esta mezcla. Este espacio de color corresponde a los fotones, que tardan menos de una billonésima de segundo en volver a la molécula.

Un avance clave fue mostrar que era posible crear una fuerte mezcla de la luz y materia con moléculas individuales, incluso con gran absorción de la luz en el metal y a temperatura ambiente. "Encontrar las moléculas requirió meses de recolección de datos", dice Chikkaraddy.

Los investigadores también pudieron observar diferencias en el espacio de color de los estados correspondientes, dependiendo de si había una, dos, o tres moléculas en el hueco.

El equipo de Cambridge colaboró con científicos del Imperial College y del Kings College, ambos de Londres, para comprender el confinamiento y la interacción de la luz en esos pequeños huecos.

Referencia bibliográfica:

Rohit Chikkaraddy, Bart de Nijs, Felix Benz, Steven J. Barrow, Oren A. Scherman, Edina Rosta, Angela Demetriadou, Peter Fox, Ortwin Hess, Jeremy J. Baumberg: Single-molecule strong coupling at room temperature in plasmonic nanocavities. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature17974