Um estudo inovador em nanofotônica apresenta um método para medir a interação da luz em nanoescala. Este método utiliza moléculas únicas para sondar nanoantenas, resultando em um aumento significativo na interação da luz. Esse avanço é fundamental para futuras tecnologias na computação quântica e nas áreas médicas. Crédito: SciTechDaily.com
Os cientistas fizeram um avanço na nanofotônica ao desenvolver um método para medir nanoescala interação leve, abrindo caminho para avanços em Computação quântica e diagnósticos médicos.
Numa era em que a compreensão e a manipulação da luz à nanoescala são cada vez mais cruciais, um artigo inovador em Natureza: Ciência da Luz e Aplicações revela um salto significativo.
Uma equipe de cientistas do Institut Langevin, ESPCI Paris, PSL University, CNRS desenvolveu um método sofisticado para medir o aumento da interação da luz em nanoescala usando moléculas únicas como sondas. No centro desta pesquisa estão as nanoantenas de gap dielétrico – desenvolvidas e fabricadas no Colégio Imperial de Londres. Tais estruturas são feitas de fosfeto de gálio (GaP), material escolhido por seu alto índice de refração e baixas perdas ópticas.
Este trabalho colaborativo envolve uma abordagem inovadora usando moléculas únicas para sondar a interação aprimorada da luz facilitada puramente por essas nanoantenas, sem modificação do nanossistema com sondas de campo próximo, alcançando um aumento notável de 30 vezes nas taxas de decaimento radiativo no nível de molécula única.
Os cientistas explicam: “Nosso trabalho se concentra na medição precisa de como a luz interage com as nanoestruturas. Ao usar moléculas únicas como sondas, conseguimos observar e quantificar o aumento na interação da luz, um aspecto crucial para o avanço das tecnologias nanofotônicas.”
A interação entre moléculas únicas e uma nanoantena gap feita de fosfeto de gálio é medida graças à microscopia de imagem de fluorescência vitalícia de molécula única (smFLIM). Esta técnica fornece informações espaciais e temporais em nanoescala da taxa de decaimento radiativo de moléculas fluorescentes únicas no campo próximo da nanoantena e destaca o potencial de materiais dielétricos em nanofotônica. Uma visão artística da amostra, que apresenta um belo hotspot de intensidade na lacuna, é mostrada na figura. A antena é rotulada com moléculas fluorescentes. A taxa de decaimento de cada molécula emissora é medida juntamente com sua posição super-resolvida. Um mapa super-resolvido da taxa de decaimento radiativo é relatado abaixo da estrutura. As moléculas na lacuna (ponto amarelo) experimentam um aumento de 30 vezes na taxa de decaimento radiativo. Crédito: R. Margoth Córdova-Castro, Bart van Dam, Alberto Lauri, Stefan A. Maier, Riccardo Sapienza, Yannick De Wilde, Ignacio Izeddin e Valentina Krachmalnicoff
A pesquisa vai além da mera exploração teórica, oferecendo insights práticos sobre as interações luz-matéria. “Não se trata apenas de observar a interação aprimorada da luz; trata-se de medi-lo no nível de molécula única com notável precisão espacial. Nossas descobertas são fundamentais para aplicações futuras em campos onde a compreensão e o controle da luz em tão pequena escala são essenciais.”
A metodologia e os resultados do estudo ressaltam a eficácia de técnicas avançadas de medição em nanofotônica. “Nossa pesquisa mapeou com sucesso a distribuição espacial do aumento da taxa de decaimento radiativo, revelando que embora haja alguma má localização de moléculas individuais devido à sua interação com a estrutura, este efeito é mínimo dentro da lacuna da nanoantena, proporcionando um controle preciso do brilho solteiro-fóton fonte de emissão”, explicam os cientistas.
“Essa precisão na medição abre novos caminhos para a caracterização de dispositivos ópticos altamente sensíveis e aprofunda nossa compreensão do aprimoramento da interação de um emissor quântico com uma nanoestrutura.”
Concluindo, os cientistas enfatizam as implicações mais amplas do seu trabalho: “Nossa pesquisa fornece uma nova lente através da qual podemos ver as interações nanofotônicas. A capacidade de medir a interação da luz com tanta precisão abre caminho para avanços em diversas aplicações, desde computação quântica, detecção quântica até diagnósticos médicos.”
Referência: “Imagem super-resolvida de emissor único de aumento da taxa de decaimento radiativo em nanoantenas de lacuna dielétrica” por R. Margoth Córdova-Castro, Bart van Dam, Alberto Lauri, Stefan A. Maier, Riccardo Sapienza, Yannick De Wilde, Ignacio Izeddin e Valentina Krachmalnicoff, 2 de janeiro de 2024, Luz: Ciência e Aplicações.
DOI: 10.1038/s41377-023-01349-2
