Quando uma molécula emite um piscar de luz, ele não espera que ele volte. No entanto, os pesquisadores agora conseguiram colocar moléculas únicas em uma cavidade óptica tão pequena que emitia fótons, ou partículas de luz, retorne à molécula antes que eles tenham saído propriamente. A energia oscila para frente e para trás entre a luz e a molécula, resultando em uma mistura completa dos dois.

Tentativas anteriores de misturar moléculas com luz foram complexas de produzir e apenas alcançáveis ​​em temperaturas muito baixas, mas os pesquisadores, liderado pela Universidade de Cambridge, desenvolveram um método para produzir essas moléculas de 'meia-luz' em temperatura ambiente.

Essas interações incomuns de moléculas com a luz fornecem novas maneiras de manipular as propriedades físicas e químicas da matéria, e pode ser usado para processar informações quânticas, auxiliar na compreensão de processos complexos que atuam na fotossíntese, ou mesmo manipular as ligações químicas entre os átomos. Os resultados são relatados no jornal Natureza .

Para usar moléculas únicas desta forma, os pesquisadores tiveram que construir cavidades de forma confiável com apenas um nanômetro de diâmetro para capturar a luz. Eles usaram a pequena lacuna entre uma nanopartícula de ouro e um espelho, e colocou uma molécula de tinta colorida dentro.

"É como uma sala de espelhos para uma molécula, apenas cem mil vezes mais fino do que um fio de cabelo humano, "disse o professor Jeremy Baumberg do NanoPhotonics Center do Laboratório Cavendish de Cambridge, quem liderou a pesquisa.

A fim de alcançar a mistura molécula-luz, as moléculas de corante precisavam ser posicionadas corretamente na pequena lacuna. "Nossas moléculas gostam de se deitar sobre o ouro, e foi muito difícil persuadi-los a se erguer, "disse Rohit Chikkaraddy, autor principal do estudo.

Para resolver isso, a equipe se juntou a uma equipe de químicos em Cambridge liderada pelo professor Oren Scherman para encapsular os corantes em gaiolas moleculares em forma de barril ocas chamadas cucurbiturilos, que são capazes de manter as moléculas de corante na posição vertical desejada.

Quando montados juntos corretamente, o espectro de espalhamento da molécula se divide em dois estados quânticos separados, o que é a assinatura dessa 'mistura'. Esse espaçamento de cor corresponde a fótons que levam menos de um trilionésimo de segundo para retornar à molécula.

Um avanço importante foi mostrar que a forte mistura de luz e matéria era possível para moléculas individuais, mesmo com grande absorção de luz no metal e à temperatura ambiente. "Encontrar assinaturas de uma única molécula levou meses de coleta de dados, "disse Chikkaraddy.

Os pesquisadores também foram capazes de observar etapas no espaçamento de cores dos estados correspondentes a cada um, dois, ou três moléculas estavam na lacuna.