L'interaction de la lumière avec la matière est à la base de la spectroscopie, un ensemble de techniques au cœur de la physique et de la chimie. De la lumière infrarouge aux rayons X, un large balayage de longueurs d'onde est utilisé pour stimuler les vibrations, transitions électroniques, et d'autres processus, sondant ainsi le monde des atomes et des molécules.

Cependant, une forme de lumière moins utilisée est la région térahertz (THz). Situé sur le spectre électromagnétique entre l'infrarouge et les micro-ondes, Le rayonnement THz a la bonne fréquence (environ 10 ¹² Hz) pour exciter les vibrations moléculaires. Malheureusement, sa grande longueur d'onde (des centaines de micromètres) est d'environ 100, 000 fois une taille moléculaire typique, rendant impossible la focalisation des faisceaux THz sur une seule molécule par l'optique conventionnelle. Seuls de grands ensembles de molécules peuvent être étudiés.

Récemment, une équipe dirigée par l'Institut des sciences industrielles (IIS) de l'Université de Tokyo a trouvé un moyen de contourner ce problème. Dans une étude en Photonique de la nature , ils ont montré que le rayonnement THz peut effectivement détecter le mouvement de molécules individuelles, dépasser la limite de diffraction classique pour focaliser les faisceaux lumineux. En réalité, la méthode était suffisamment sensible pour mesurer l'effet tunnel d'un seul électron.

L'équipe IIS a présenté une conception à l'échelle nanométrique connue sous le nom de transistor à molécule unique. Deux électrodes métalliques adjacentes, la source et le drain du transistor, sont placés sur une fine plaquette de silicium en forme de « nœud papillon ». Puis, molécules simples - dans ce cas C60, aka fullerène - sont déposés dans les espaces sub-nanométriques entre la source et le drain. Les électrodes agissent comme des antennes pour focaliser étroitement le faisceau THz sur les fullerènes isolés.

"Les fullerènes absorbent le rayonnement THz focalisé, les faisant osciller autour de leur centre de masse, " explique le premier auteur de l'étude Shaoqing Du. " L'oscillation moléculaire ultrarapide augmente le courant électrique dans le transistor, en plus de sa conductivité inhérente." Bien que ce changement de courant soit minuscule - de l'ordre de femto-ampères (fA) - il peut être mesuré avec précision avec les mêmes électrodes utilisées pour piéger les molécules. De cette façon, deux pics vibrationnels à environ 0,5 et 1 THz ont été tracés.

En réalité, la mesure est suffisamment sensible pour mesurer un léger éclatement des pics d'absorption, causée par l'ajout ou la soustraction d'un seul électron. Lorsque C60 oscille sur une surface métallique, son quantum vibrationnel (vibron) peut être absorbé par un électron dans l'électrode métallique. Ainsi stimulé, les électrons pénètrent dans la molécule C60. Le C60 chargé négativement qui en résulte ^- la molécule vibre à une fréquence légèrement inférieure à celle du neutre C60, absorbant ainsi une fréquence différente de rayonnement THz.

En plus de donner un aperçu du tunnel, l'étude démontre une méthode pratique pour obtenir des informations électroniques et vibroniques sur des molécules qui n'absorbent que faiblement les photons THz. Cela pourrait ouvrir la voie à une utilisation plus large de la spectroscopie THz, une méthode peu développée et complémentaire de la spectroscopie en lumière visible et rayons X, et très pertinent pour la nanoélectronique et l'informatique quantique.