Tým fyziků z britské univerzity v Cambridge vedený Jeremy Baumbergem před několika měsíci vytvořil optickou dutinu velkou pouhých 40 kubických nanometrů. Dokázal tak smísit světlo a optické přechody jediné molekuly umístěné uvnitř této dutiny. Obě složky se staly zcela nerozlišitelnými. Tak těsné propojení by bylo možné využít pro studium kvantových vlastností materiálu, při zpracovávání kvantových informací nebo v kvantové kryptografii.
Vědcům se podařilo něco, co bylo ještě před několika málo lety zcela nemyslitelné. Světlo bylo poprvé lokalizováno do objemu menšího, než je velikost jediného atomu. Tuto „picocavity“ („pikodutina“ nezní nejlépe), v níž je světlo uvězněno, lze považovat za vůbec nejmenší existující „zvětšovací sklo“. Může být totiž použita ke studiu interakce hmoty a světla v rozměrech jednotlivých atomů nebo třeba ke studiu vzniku a rozbití chemických vazeb mezi atomy. Na tomto novém principu by mohly být dokonce vytvořeny nové optomechanické paměti, v nichž se informace zapisuje a čte pomocí světla, a ukládá se ve formě molekulárních vibrací.
Fyzici byli dlouho přesvědčeni, že viditelné světlo není možno fokusovat do ohniska menšího, než je polovina jeho vlnové délky, což je kolem 250 nm (tato hodnota se nazývá difrakční limit). Nedávno však vědci zjistili, jak toto omezení obejít. Použili k tomu zlaté a stříbrné nanostruktury, které podporují vytváření povrchových plazmonů. Povrchové plazmony jsou indukované podélné hustotní vlny vodivostních elektronů v povrchové vrstvě kovového vodiče (hlavně Au a Ag) s nanometrovou strukturou. Pomocí takových nanostruktur se jim podařilo lokalizovat světelné záření do mnohem menších rozměrů, než je jejich vlnová délka. V nejnovějších experimentech vědci použili právě zlaté nanočástice k vytvoření dosud nejmenší optické dutiny. Tato dutina je tak malá, že se do ní vejde pouhý jeden atom.
Miniaturní optickou dutinu vědci vytvořili ve dvou krocích. Napřed zhotovili sendvičovou strukturu, kterou nazvali „nanočástice na zrcadle“. Aby se jim to povedlo, pokryli zlaté zrcadlo vrstvou molekul, které mají tendenci na něm ulpět. Na povrchu pak rozptýlili prakticky kulaté zlaté částice o průměru 80 nm. Tato struktura lokalizuje světlo charakteristické červené barvy, které je zachycováno v mezeře mezi kuličkami a zrcadlem. Rozměry však byly pořád ještě stokrát větší, než fyzici chtěli.
Aby vědci dokázali porozumět chování jednotlivých komponent, ochladili je na teplotu kapalného helia. Prakticky se tak zastavil veškerý pohyb atomů a molekul. Pak na ně posvítili laserem a zjistili podivnou věc. Světlo rozptýlené molekulami se občas na mnoho sekund tisíckrát zesílilo, a pak zmizelo. Vědci zjistili, že jednotlivé molekuly zlata jsou světlem vytahovány zevnitř a usazují se na povrchu. Atomy uvízlé na rovném povrchu působí podobně jako bleskosvod (pro světlo, nikoliv pro statické elektrické pole) a zachycují světlo těsně nad jejich vrcholem. Zachycené světlo má objem menší než jeden krychlový nanometr.
Protože objem této „pikodutiny“ je tak malý, světlo kolem ní nemůže cirkulovat. To zesiluje všechny interakce mezi zachyceným světlem a objektem uvnitř (v tomto případě se jednalo o molekulu bifenyl-4-thiol). Vzhledem k velmi malým rozměrům dochází přednostně k interakcím právě s jedinou vazbou v molekule, což dovoluje její podrobnější studium. Když se na dutinu pošle více světla, způsobí to silnější vibrace vazby a molekula se začne deformovat.
Podle členů vědeckého týmu, do kterého patří také španělští fyzici z Centre for Material Physics v San Sebastianu ve Španělsku, by mohla být nová dutina použita ke studiu chování molekul a atomů kovu ve velmi malých rozměrech. To je totiž za normálních okolních podmínek velmi těžko proveditelné. V nové dutině bylo možno přímo pozorovat pohyby molekul i atomů v reálném čase. Členové týmu doufají, že jejich experimenty také umožní zjistit, jaké chemické reakce probíhají mezi molekulami a povrchy, na kterých jsou tyto molekuly usazeny. To je totiž velmi důležité pro všechny chemikálie, které používáme v běžném životě. Velmi malé dutiny poskytují také možnost realizovat optoelektronické přepínače, které mění barvu, když se do nich injektuje i jenom velmi malé množství energie, přičemž nezáleží na tom, jestli to bude světlo nebo elektrické pole.
Fyzici se nyní snaží zjistit, co se stane, když zvýší výkon laseru, a jak spustit ohýbání nebo zlomení molekul. Pokoušejí se také porozumět tomu, jak se světlo šíří kolem zlatých atomů a jestli je tento proces možné řídit ještě přesněji tak, aby se daly vytvářet různé objekty o rozměrech nanometrů (například zmíněné optomechanické paměti, u nichž slouží jako paměťové medium vibrace molekul).
Původní materiály byly uveřejněny v Nature, Physics World, Science a jsou k dispozici také na nanotechweb.org.
Mohlo by vás zajímat:
Nová
křídla pro letadla
Temná
energie v ohrožení?
Voda v kapilárách se chová jinak, než se předpokládalo
Americkým
fyzikům se podařilo prokázat existenci záporného indexu lomu v grafenu