A interação da luz com a matéria é a base da espectroscopia, um conjunto de técnicas que estão no cerne da física e da química. De luz infravermelha a raios-X, uma ampla faixa de comprimentos de onda é usada para estimular vibrações, transições de elétrons, e outros processos, sondando assim o mundo dos átomos e moléculas.

Contudo, uma forma menos usada de luz é a região de terahertz (THz). Situada no espectro eletromagnético entre infravermelho e microondas, A radiação THz tem a frequência certa (cerca de 10 ¹² Hz) para excitar vibrações moleculares. Infelizmente, seu longo comprimento de onda (centenas de micrômetros) é de cerca de 100, 000 vezes um tamanho molecular típico, tornando impossível focar feixes THz em uma única molécula por óptica convencional. Apenas grandes conjuntos de moléculas podem ser estudados.

Recentemente, uma equipe liderada pelo Instituto de Ciência Industrial (IIS) da Universidade de Tóquio encontrou uma maneira de contornar esse problema. Em um estudo em Nature Photonics , eles mostraram que a radiação THz pode de fato detectar o movimento de moléculas individuais, superando o limite de difração clássico para focalizar feixes de luz. Na verdade, o método era sensível o suficiente para medir o tunelamento de um único elétron.

A equipe do IIS apresentou um projeto em nanoescala conhecido como transistor de molécula única. Dois eletrodos de metal adjacentes, a fonte e o dreno do transistor, são colocados em um wafer de silício fino em forma de "gravata borboleta". Então, moléculas únicas - neste caso C60, também conhecido como fulereno - são depositados nas lacunas sub-nanométricas entre a fonte e o dreno. Os eletrodos atuam como antenas para focar firmemente o feixe THz nos fulerenos isolados.

"Os fulerenos absorvem a radiação THz focada, fazendo-os oscilar em torno de seu centro de massa, "explica o estudo do primeiro autor Shaoqing Du." A oscilação molecular ultrarrápida aumenta a corrente elétrica no transistor, além de sua condutividade inerente. "Embora essa mudança de corrente seja minúscula - na ordem dos femto-amperes (fA) - ela pode ser medida com precisão com os mesmos eletrodos usados ​​para capturar as moléculas. Desta forma, dois picos vibracionais em torno de 0,5 e 1 THz foram plotados.

Na verdade, a medição é sensível o suficiente para medir uma leve divisão dos picos de absorção, causada pela adição ou subtração de apenas um elétron. Quando o C60 oscila em uma superfície de metal, seu quantum vibracional (vibron) pode ser absorvido por um elétron no eletrodo de metal. Assim estimulado, os túneis de elétrons na molécula C60. O C60 com carga negativa resultante ^- molécula vibra a uma frequência ligeiramente mais baixa do que C60 neutro, absorvendo assim uma frequência diferente de radiação THz.

Além de fornecer um vislumbre do túnel, o estudo demonstra um método prático para obter informações eletrônicas e vibrônicas sobre moléculas que absorvem apenas fracamente os fótons THz. Isso poderia abrir um uso mais amplo da espectroscopia THz, um método subdesenvolvido que é complementar à espectroscopia de luz visível e raios-X, e altamente relevante para nanoeletrônica e computação quântica.