Ilustração da nanoespectroscopia de laser de molécula única desenvolvida com resolução de energia volt de micro-elétron. Combinamos um laser sintonizável de linha estreita com um microscópio de tunelamento de varredura (STM) para atingir a energia μeV e a resolução espacial submolecular, e demonstrou a caracterização precisa e visualização dos estados quânticos individuais de uma única molécula. Crédito:Imada et al.
Quando as moléculas estão excitadas, eles podem dar origem a uma variedade de fenômenos de conversão de energia, tais como emissão de luz e conversão fotoelétrica ou fotoquímica. Para desbloquear novas funções de conversão de energia em materiais orgânicos, os pesquisadores devem ser capazes de compreender a natureza do estado de excitação de um material e controlá-lo.
Até aqui, muitos cientistas têm usado técnicas de espectroscopia baseadas em luz laser em pesquisas com foco em estados excitados. Apesar disso, eles foram incapazes de usar luz laser para examinar materiais em nanoescala, devido às suas limitações na chamada difração. Os métodos de medição espectroscópica aplicados a microscópios eletrônicos e de sonda de varredura que podem observar substâncias com resoluções atômicas, por outro lado, ainda estão subdesenvolvidos.
Pesquisadores da RIKEN, a Agência de Ciência e Tecnologia do Japão (JST), A Universidade de Tóquio e outros institutos no Japão desenvolveram recentemente uma técnica de nanoespectroscopia a laser que pode ser usada para examinar moléculas individuais. Esta técnica, apresentado em um artigo publicado em Ciência , poderia abrir novas possibilidades para o desenvolvimento de várias novas tecnologias, incluindo diodos emissores de luz (LEDs), fotovoltaicas e células fotossintéticas.
"É muito difícil observar substâncias em níveis atômicos e investigar diretamente as propriedades do estado de excitação das substâncias, que tem sido um dos obstáculos na pesquisa de conversão de energia, "Hiroshi Imada, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Nesta pesquisa, combinamos microscopia de tunelamento de varredura (STM) com espectroscopia a laser para alcançar alta resolução espacial e de energia ao mesmo tempo, e com isso poderíamos desvendar a natureza das moléculas com uma precisão sem precedentes. "
A técnica desenvolvida por Imada e seus colegas utiliza luz laser para conduzir o campo eletromagnético de um plasmon localizado formado na lacuna em nanoescala entre a ponta do STM e o substrato de metal em uma frequência bem definida determinada pela energia do laser. A dimensão lateral do campo de plasmon é de aproximadamente 2 nm de diâmetro e menor do que o ponto mínimo de luz na óptica convencional em duas ordens de magnitude. Este campo serve como uma escala monocromática em nanoescala, fonte de excitação ajustável e móvel.
"O ponto-chave em nossa pesquisa é que a frequência do plasmon acionado é ajustável por meio do ajuste da luz laser irradiada externamente, "Disse Imada." O campo plasmônico precisamente ajustado para a ressonância molecular mostrou-se muito eficaz para excitar a única molécula sob a observação do STM, que nos permitiu realizar nanospectroscopia com resolução de energia volt de microelétron. "
Embora a técnica desenvolvida por Imada e seus colegas seja baseada em métodos de espectroscopia fundamentais, pode potencialmente abrir novas oportunidades de pesquisa no campo da nanociência. Na verdade, em contraste com as técnicas convencionais de espectroscopia STM, seu método não utiliza elétrons de tunelamento e é mais semelhante à espectroscopia a laser convencional.
"Provamos que o campo plasmônico pode ser um ponto de laser em nanoescala com tamanho de ponto de 1/100, "Disse Imada." Prevemos que muitos tipos de espectroscopia a laser podem ser realizados com a resolução espacial extrema com base em nossa configuração experimental, apenas introduzindo novas fontes de luz como laser de pulso curto, pente de frequência, dois pulsos sincronizados, e assim por diante.
No futuro, a técnica introduzida por esta equipe de pesquisadores pode ajudar a desbloquear funções de conversão de energia especificamente projetadas em materiais orgânicos, permitindo que o cientista ajuste os níveis de energia dos sistemas moleculares. Enquanto isso, os pesquisadores estão planejando trabalhar em uma versão de sua técnica com resolução temporal.
"É sabido que existe um trade-off entre resolução de tempo e resolução de energia, mas as informações sobre a escala de tempo e os níveis de energia são muito importantes para entender corretamente o processo dinâmico que ocorre no estado excitado, "Imada disse." Nós planejamos desenvolver nanospectroscopia ultrarrápida que seja compatível com a nanospectroscopia precisa desenvolvida aqui para revolucionar a compreensão da conversão de energia em sistemas moleculares. "
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