Illustration d'une nanospectroscopie laser à molécule unique développée avec une résolution d'énergie micro–électron-volt. Nous avons combiné un laser accordable à raie étroite avec un microscope à effet tunnel (STM) pour obtenir une énergie μeV et une résolution spatiale submoléculaire, et a démontré la caractérisation et la visualisation précises des états quantiques individuels d'une seule molécule. Crédit :Imada et al.
Lorsque les molécules sont excitées, ils peuvent donner lieu à divers phénomènes de conversion d'énergie, telles que l'émission lumineuse et la conversion photoélectrique ou photochimique. Pour débloquer de nouvelles fonctions de conversion d'énergie dans les matières organiques, les chercheurs devraient être capables de comprendre la nature de l'état excité d'un matériau et de le contrôler.
Jusque là, de nombreux scientifiques ont utilisé des techniques de spectroscopie basées sur la lumière laser dans des recherches axées sur les états excités. Néanmoins, ils étaient incapables d'utiliser la lumière laser pour examiner des matériaux à l'échelle nanométrique, en raison de ses limites dans ce qu'on appelle la diffraction. Les méthodes de mesures spectroscopiques appliquées aux microscopes électroniques et à sondes à balayage permettant d'observer des substances avec des résolutions atomiques, d'autre part, sont encore sous-développés.
Les chercheurs du RIKEN, l'Agence japonaise pour la science et la technologie (JST), L'Université de Tokyo et d'autres instituts au Japon ont récemment développé une technique de nanospectroscopie laser qui pourrait être utilisée pour examiner des molécules individuelles. Cette technique, présenté dans un article publié dans Science , pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de diverses nouvelles technologies, y compris les diodes électroluminescentes (LED), photovoltaïques et cellules photosynthétiques.
"Il est très difficile d'observer des substances aux niveaux atomiques et d'étudier directement les propriétés de l'état excité des substances, qui a été l'un des obstacles dans la recherche sur la conversion d'énergie, " Hiroshi Imada, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Dans cette recherche, nous combinons la microscopie à effet tunnel (STM) avec une spectroscopie laser pour obtenir une résolution spatiale et énergétique élevée en même temps, et avec cela, nous pourrions dévoiler la nature des molécules avec une précision sans précédent. »
La technique développée par Imada et ses collègues utilise la lumière laser pour piloter le champ électromagnétique d'un plasmon localisé formé dans l'espace nanométrique entre la pointe STM et le substrat métallique à une fréquence bien définie déterminée par l'énergie laser. La dimension latérale du champ de plasmon est d'environ 2 nm de diamètre et plus petite que la tache lumineuse minimale en optique conventionnelle de deux ordres de grandeur. Ce champ sert de monochromatique à l'échelle nanométrique, source d'excitation accordable et mobile.
"Le point clé de nos recherches est que la fréquence du plasmon entraîné est accordable en accordant la lumière laser irradiant de l'extérieur, " a déclaré Imada. "Le champ plasmonique précisément réglé sur la résonance moléculaire s'est avéré très efficace pour exciter la molécule unique sous l'observation STM, qui nous a permis d'effectuer une nanospectroscopie avec une résolution d'énergie en micro-électron-volt."
Alors que la technique développée par Imada et ses collègues est basée sur des méthodes fondamentales de spectroscopie, il pourrait potentiellement ouvrir de nouvelles opportunités de recherche dans le domaine des nanosciences. En réalité, contrairement aux techniques de spectroscopie STM conventionnelles, leur méthode n'utilise pas d'électrons tunnel et est plus similaire à la spectroscopie laser conventionnelle.
"Nous avons prouvé que le champ plasmonique peut être un spot laser à l'échelle nanométrique avec une taille de spot de 1/100, " a déclaré Imada. "Nous prévoyons que de nombreux types de spectroscopie laser peuvent être réalisés avec une résolution spatiale extrême basée sur notre configuration expérimentale, simplement en introduisant de nouvelles sources lumineuses comme le laser à impulsions courtes, peigne de fréquence, deux impulsions synchronisées, etc.
À l'avenir, la technique introduite par cette équipe de chercheurs pourrait aider à débloquer des fonctions de conversion d'énergie spécifiquement conçues dans les matériaux organiques, en permettant aux scientifiques d'ajuster les niveaux d'énergie des systèmes moléculaires. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient de travailler sur une version résolue en temps de leur technique.
"On sait qu'il y a un compromis entre la résolution temporelle et la résolution énergétique, mais les informations sur l'échelle de temps et les niveaux d'énergie sont toutes deux très importantes pour comprendre correctement le processus dynamique se déroulant dans l'état excité, ", a déclaré Imada. "Nous prévoyons de développer une nanospectroscopie ultra-rapide compatible avec la nanospectroscopie précise développée ici pour révolutionner la compréhension de la conversion d'énergie dans les systèmes moléculaires."
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