Cavidades fotônicas são uma parte essencial de muitos dispositivos ópticos modernos, de ponteiros de laser a fornos de micro-ondas. Assim como podemos armazenar água em um tanque e criar ondas estacionárias na superfície da água, podemos confinar a luz em um ressonador fotônico cujas paredes são fortemente reflexivas. Assim como as ondas da superfície da água dependem da geometria do tanque (forma, profundidade), modos ópticos específicos podem ser criados em uma cavidade fotônica cujas propriedades (cor e distribuição espacial de intensidade) podem ser ajustadas alterando as dimensões da cavidade. Quando o tamanho da cavidade é muito pequeno - muito menor do que o comprimento de onda da luz que a confina (nanocavidade no caso da luz visível) - é produzido um efeito de intensificação da luz que é tão forte que influencia os elétrons em as paredes da cavidade. Uma mistura entre fótons e elétrons é então produzida, dando origem a modos híbridos entre luz e matéria conhecidos como plasmons.

Plasmons em nanocavidades ópticas são extremamente importantes para muitas aplicações, como sensores químicos que permitem a detecção de moléculas individuais, ou a fabricação de nanolasers que poderiam operar com quase nenhum consumo de corrente elétrica. Contudo, a caracterização desses modos plasmônicos é geralmente muito complexa, devido ao tamanho minúsculo das cavidades que torna extremamente difícil o seu acesso por sinais externos.

Por outro lado, o efeito túnel é um dos mais característicos, efeitos misteriosos e mais bem documentados da Mecânica Quântica. Em um processo de túnel, uma partícula (por exemplo, um elétron) pode passar por uma barreira estreita (o espaço que separa dois metais a distâncias nanométricas), apesar de não ter energia suficiente para superá-la. É como se pudéssemos passar de um lado a outro da Grande Muralha da China sem ter que pulá-la.

Por incrível que pareça, partículas do mundo quântico podem fazer isso sob certas condições. Na maioria desses processos, a energia da partícula antes e depois do processo é a mesma. Contudo, em uma pequena fração desses eventos, a partícula pode ceder parte de sua energia, por exemplo, gerando luz, que é conhecido como processo de túnel inelástico. Embora seja bem conhecido que as propriedades da luz emitida no processo de túnel inelástico entre dois metais dependem dos modos plasmônicos existentes na cavidade, também depende fortemente da distribuição de energia das partículas que executam o processo de túnel.

Até agora, havia sido impossível distinguir inequivocamente entre esses dois efeitos e, portanto, extrair a informação sobre os modos plasmônicos da análise da luz emitida pelo efeito túnel.

Pesquisadores da Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia e IFIMAC desenvolveram um método para superar este problema, determinando simultaneamente a distribuição de energia dos elétrons de tunelamento e a luz emitida em um microscópio de túnel de varredura. Eles exploraram o efeito de tunelamento para criar ressonadores ópticos de dimensões atômicas e para estudar suas propriedades ópticas, desvendando pela primeira vez as contribuições devidas à energia das partículas de tunelamento dos efeitos originados pelos modos plasmônicos na cavidade.

Este trabalho propõe uma nova metodologia para a caracterização da interação luz-matéria em tamanho atômico, e pode ter implicações tecnológicas importantes para o desenvolvimento de sensores químicos de moléculas individuais, novas fontes de fótons ou nanolasers simples ou entrelaçados que são ativos com poderes de bombeamento extremamente baixos.

A pesquisa foi publicada na prestigiosa revista. Nature Communications .