Composición artística sobre la localización de la luz desde una bombilla
a las dimensiones atómicas.
Foto: NanoPhotonics Cambridge/Bart deNijs |
Un equipo internacional con participación del CSIC ha creado la lente
más pequeña del mundo, capaz de focalizar la luz en espacios del tamaño
de un único átomo. Los investigadores han utilizado nanopartículas de
oro, que permiten ver enlaces químicos individuales en las moléculas.
Durante siglos, los científicos han creído que la luz no podía ser
enfocada por debajo de un tamaño inferior a su longitud de onda, del
orden una millonésima de metro. Ahora, un equipo internacional de
investigadores con participación del Consejo Superior de Investigaciones
Científicas (CSIC) y la Universidad de Cambridge ha creado la lente más
pequeña del mundo, capaz de focalizar la luz en espacios mil millones de
veces más ajustados, del tamaño de un único átomo. Los resultados han
sido publicados en la revista Science.
“Esta investigación ha utilizado este efecto de atrapamiento de la luz
en las proximidades de un átomo para activar e interaccionar con las
vibraciones de una molécula situada en sus proximidades. Este efecto se
denomina interacción optomecánica, y es muy parecido a tocar una
guitarra en la escala molecular. En este caso, en lugar de un dedo
percutiendo las cuerdas de una guitarra, es la luz la que hace vibrar
los enlaces de una molécula”, señala el profesor Javier Aizpurua, que
lidera los esfuerzos teóricos de esta investigación en el Centro de
Física de Materiales de San Sebastián, centro mixto del CSIC y la
Universidad del País Vasco. Sus investigaciones han permitido entender
el confinamiento y la interacción de la luz con las vibraciones
moleculares en escalas tan pequeñas.
“Es una interacción optomecánica molecular, y puede utilizarse para
conmutar señal óptica, es decir para tocar "notas" específicas y
particulares de nuestra "guitarra" molecular: cierta luz hace tocar unas
notas, y otra luz no es capaz de activarlas, por lo que existe la
posibilidad de conmutar la señal molecular con luz en la escala más
pequeña: la atómica”, añade.
“Hemos utilizado oro altamente conductor para fabricar la cavidad óptica
más pequeña del mundo que contiene una única molécula, generando de esta
forma una nueva manera de estudiar la interacción entre luz y materia”,
explica el profesor Jeremy J. Baumberg, de la Universidad de Cambridge.
“Esta cavidad –denominada pico-cavidad– está formada por la protrusión
de un único átomo en una estructura de oro, y confina la luz a una
distancia inferior a una mil millonésima de metro”, añade.
“La construcción de nanoestructuras con control de átomos aislados es
tremendamente exigente, y requiere la refrigeración de las muestras a
-260°C para congelar los escurridizos átomos de oro”, detalla Aizpurua.
Los investigadores iluminaron con luz láser las muestras de oro para
construir las pico-cavidades, lo que les ha permitido observar los
efectos de átomos aislados en movimiento en tiempo real. "Aunque nadie
había atrapado la luz de esta manera con anterioridad, nuestras
predicciones teóricas sugerían que esto sería posible, como así ha sido
ahora", asegura Aizpurua.
Los átomos de oro se comportan como diminutas cestas conductoras que
atrapan la luz, y presentan el potencial de abrir nuevas perspectivas en
el campo de las reacciones químicas catalizadas por luz (por ejemplo, en
la industria del tratamiento de aguas contaminadas) que permitirán
construir complejos moleculares desde componentes más simples, así como
desarrollar nuevos dispositivos optomecánicos. Estos dispositivos
permiten refrigerar iluminando con luz y pueden ser utilizados en el
campo de la información cuántica para tratar estados fotónicos cuánticos
para ser utilizados como qubits.
Esta investigación ha sido financiada como parte del proyecto del
programa estatal de investigación científica y técnica de excelencia del
Ministerio de Economía y Competitividad de España, así como por Consejo
de Investigación en Ciencias Físicas del Reino Unido, y el programa
Winton de Física para la sostenibilidad.
Fuente: CSIC 11/11/2016
Felix Benz, Mikolaj K. Schmidt, Alexander Dreismann, Rohit Chikkaraddy,
Yao Zhang, Angela Demetriadou, Cloudy Carnegie, Hamid Ohadi, Bart de
Nijs, Ruben Esteban, Javier Aizpurua, Jeremy J. Baumberg. Single-molecule
optomechanics in ‘pico-cavities’. Science. Doi: 10.1126/science.aah5243
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