Lorsqu'une molécule émet un clignotement de lumière, il ne s'attend pas à ce qu'il revienne un jour. Cependant, les chercheurs ont maintenant réussi à placer des molécules uniques dans une cavité optique si minuscule qui a émis des photons, ou des particules de lumière, retournent à la molécule avant qu'ils ne soient correctement partis. L'énergie oscille entre la lumière et la molécule, résultant en un mélange complet des deux.

Les tentatives précédentes de mélanger des molécules avec la lumière ont été complexes à produire et réalisables uniquement à très basse température, mais les chercheurs, dirigé par l'Université de Cambridge, ont mis au point une méthode pour produire ces molécules « demi-lumière » à température ambiante.

Ces interactions inhabituelles des molécules avec la lumière offrent de nouvelles façons de manipuler les propriétés physiques et chimiques de la matière, et pourrait être utilisé pour traiter des informations quantiques, aider à la compréhension des processus complexes à l'œuvre dans la photosynthèse, ou même manipuler les liaisons chimiques entre les atomes. Les résultats sont publiés dans le journal La nature .

Pour utiliser des molécules simples de cette manière, les chercheurs ont dû construire de manière fiable des cavités d'un nanomètre de diamètre seulement afin de piéger la lumière. Ils ont utilisé le petit espace entre une nanoparticule d'or et un miroir, et placé une molécule de colorant coloré à l'intérieur.

"C'est comme une salle des miroirs pour une molécule, seulement espacés cent mille fois plus fins qu'un cheveu humain, " a déclaré le professeur Jeremy Baumberg du NanoPhotonics Center du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé la recherche.

Afin de réaliser le mélange molécule-lumière, les molécules de colorant devaient être correctement positionnées dans le petit espace. "Nos molécules aiment se coucher à plat sur l'or, et c'était vraiment difficile de les persuader de se tenir droit, " dit Rohit Chikkaraddy, auteur principal de l'étude.

Pour résoudre cela, l'équipe s'est jointe à une équipe de chimistes de Cambridge dirigée par le professeur Oren Scherman pour encapsuler les colorants dans des cages moléculaires creuses en forme de tonneau appelées cucurbiturilles, qui sont capables de maintenir les molécules de colorant dans la position verticale souhaitée.

Lorsqu'ils sont assemblés correctement, le spectre de diffusion des molécules se scinde en deux états quantiques séparés, ce qui est la signature de ce « mélange ». Cet espacement de couleur correspond à des photons mettant moins d'un trillionième de seconde pour revenir à la molécule.

Une avancée clé a été de montrer qu'un fort mélange de lumière et de matière était possible pour des molécules uniques, même avec une grande absorption de lumière dans le métal et à température ambiante. "Trouver des signatures de molécules uniques a pris des mois de collecte de données, " dit Chikkaraddy.

Les chercheurs ont également pu observer des étapes dans l'espacement des couleurs des états correspondant à l'un, deux, ou trois molécules étaient dans l'espace.