Un único interruptor molecular revela la dinámica de la luz a escala atómica
Investigadores de la Universidad de Ratisbona y del MPSD de Hamburgo han desarrollado un método innovador para detectar la dinámica de la luz en una escala tan pequeña con una alta resolución temporal.
Visualización artística del arreglo experimental: Una sola molécula trazadora (ftalocianina de magnesio) sondea la dinámica de las ondas luminosas a escala de átomo en la unión de un microscopio de barrido de túnel.
Lukas Z. Kastner
Desde el siglo XVII, los investigadores han explorado objetos diminutos en su detalle más fundamental utilizando microscopios ópticos y de luz. Sin embargo, debido a que la luz visible tiene una longitud de onda más de mil veces mayor que el tamaño de un átomo, los microscopios más avanzados de hoy en día rutinariamente toman imágenes del mundo atómico con electrones, rayos X y otras técnicas que producen resoluciones incomparablemente más altas que las ondas de luz. Paradójicamente, a estas escalas de longitud atómica el comportamiento de la luz en sí mismo sigue siendo un misterio en muchos aspectos. Esto se aplica en particular al comportamiento temporal de la luz en estas escalas ultrapequeñas, donde las leyes de la física clásica pierden su validez y la física cuántica se rige en su lugar.
Ahora los investigadores de la Universidad de Ratisbona y del MPSD en Hamburgo han desarrollado un método innovador para detectar la dinámica de la luz en una escala tan pequeña con una alta resolución temporal. El ingrediente clave de este avance fundamental es una molécula trazadora altamente sensible, que detecta los cambios en los campos electromagnéticos locales y puede ser sintonizada externamente con muy alta precisión.
El equipo de la Universidad de Ratisbona colocó la molécula, ftalocianina de magnesio, en una brecha de 0,9 nanómetros -menos de una mil millonésima de metro- entre una punta de tungsteno ultrasensible y la superficie en una unión llamada microscopio de túnel de barrido. La molécula trazadora actúa entonces como un interruptor molecular que se activa exactamente a una intensidad de campo local específica. Estos eventos de conmutación pueden ser medidos experimentalmente a medida que la conformación de la molécula cambia, lo que a su vez altera la corriente que pasa a través de la unión.
Esto permite a los investigadores, por primera vez, tomar muestras de campos electromagnéticos atómicos resueltos en el tiempo. Para alcanzar la resolución temporal, se utilizan pulsos de láser externos para sintonizar los campos locales de manera que el interruptor molecular se dispare con una probabilidad variable. Relacionando la corriente medida con la probabilidad de conmutación, los investigadores pueden extraer los valores dependientes del tiempo de los campos electromagnéticos locales.
Para obtener una mejor comprensión y validación de la técnica experimental, los investigadores de la MPSD realizaron simulaciones atomísticas por computadora de última generación. Consiguieron simular los efectos de un campo láser externo en el estado cuántico de los electrones de la molécula y la corriente de túnel resultante, que provoca la conmutación de la molécula de la sonda. Las simulaciones confirmaron las relaciones fundamentales asumidas en los experimentos y que la interpretación de los resultados experimentales se basa en sólidos fundamentos teóricos.
Además, las animaciones del potencial eléctrico en la unión aclararon el origen de los campos electromagnéticos locales en la disposición de la punta de la superficie elegida, lo que lleva a la aparición de las corrientes de túnel medidas.
Hasta ahora, los investigadores sólo podían acceder a la dinámica de la luz en las escalas moleculares de forma indirecta, es decir, observando su efecto sobre la materia. Este descubrimiento abre una nueva vía para observar las interacciones luz-materia en el espacio y el tiempo, en un régimen en el que la dinámica cuántica local determina las propiedades de la luz. Esto podría revolucionar el campo de los dispositivos a nanoescala y los metamateriales que pueden adaptarse y aprovechar los campos cercanos para diversas aplicaciones, como la recolección de luz, la electrónica y la nanoimagen.
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