Предыдущие попытки смешать молекулы со светом были сложными для получения и достижимыми только при очень низких температурах, но исследователи во главе с Кембриджским университетом разработали метод получения этих «полусветовых» молекул при комнатной температуре.Эти необычные взаимодействия молекул со светом обеспечивают новые способы управления физическими и химическими свойствами вещества и могут использоваться для обработки квантовой информации, помощи в понимании сложных процессов фотосинтеза или даже для управления химическими связями между атомами. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Чтобы использовать одиночные молекулы таким образом, исследователи должны были надежно сконструировать полости размером всего в одну миллиардную метра (один нанометр) в поперечнике, чтобы улавливать свет. Они использовали крошечный промежуток между золотой наночастицей и зеркалом и поместили внутрь молекулу цветного красителя.«Это похоже на зал зеркал для молекулы, расстояние между которыми только в сто тысяч раз тоньше человеческого волоса», — сказал профессор Джереми Баумберг из Центра нанофотоники в Кэвендишской лаборатории Кембриджа, руководивший исследованием.
Чтобы добиться смешения молекулы со светом, молекулы красителя должны быть правильно расположены в крошечной щели. «Наши молекулы любят лежать на золоте, и было действительно трудно убедить их встать прямо», — сказал Рохит Чиккарадди, ведущий автор исследования.Чтобы решить эту проблему, команда объединилась с группой химиков из Кембриджа во главе с профессором Ореном Шерманом, чтобы инкапсулировать красители в полые бочкообразные молекулярные клетки, называемые кукурбитурилами, которые способны удерживать молекулы красителя в желаемом вертикальном положении.При правильной сборке спектр рассеяния молекулы разделяется на два отдельных квантовых состояния, что является признаком этого «смешивания». Такой цветовой интервал соответствует тому, что фотонам требуется менее триллионной секунды, чтобы вернуться в молекулу.
Ключевым достижением было показать, что сильное смешение света и вещества возможно для отдельных молекул даже при большом поглощении света металлом и при комнатной температуре. «Для поиска сигнатур одиночных молекул потребовались месяцы сбора данных», — сказал Чиккарадди.Исследователи также смогли наблюдать ступеньки в цветовом интервале состояний, соответствующие тому, находятся ли в промежутке одна, две или три молекулы.