Физики из Испании и Великобритании разработали методику заключения света в резонатор объемом всего в 1 кубический нанометр. Это
помогло ученым изучить колебания отдельных связей в одиночной молекуле: резонатор
усилил взаимодействия между колебаниями атомов и светом в миллион раз. По
словам авторов, метод может стать основой для квантовой нелинейной оптики,
работающей на молекулярном масштабе. Исследование опубликовано в
журнале Science.
Атомы в любых молекулах совершают колебания — в небольших пределах удлиняют и укорачивают химическую связь между собой, меняют углы в молекулярной структуре. Заметить такие колебания можно с помощью инфракрасного излучения. Энергия инфракрасных фотонов сопоставима с энергией, требуемой для колебательных переходов в молекуле. Это приводит к поглощению квантов света — точное значение их энергии позволяет определить характеристики колебаний атомов. Сейчас на основе этого эффекта основаны методы исследования веществ с неизвестным строением — например, инфракрасная спектроскопия.
Как правило, в таких экспериментах используются макроскопические образцы. Но взаимодействие между веществом и излучением можно усилить, поместив вещество в оптический резонатор, свет в котором многократно отражается. С помощью благородных металлов (золота и других) физики уже научились создавать резонаторы с объемом всего в 30 кубических нанометров — этого достаточно для спектроскопии одиночных молекул. Такие размеры уже во много раз меньше, чем длина волны инфракрасного излучения. Долгое время считалось, что разрешение оптических резонаторов не может перешагнуть через порог в 10 нанометров, но уже появились исследования, в которых с помощью острой иглы физики читают последовательность оснований в РНК.
Физики рассчитали, чему могли соответствовать эти пики — оказалось, за них отвечали колебания в органической молекуле, обычно неактивные в рамановской спектроскопии. Проявить их могли лишь очень интенсивные световые поля, что и указало на возникновение субнанометровых резонаторов. Причиной их возникновения были отдельные атомы в наночастице золота, изменявшие свое положение под действием лазерного излучения. Золотая подложка при этом играла роль дополнительного зеркала в резонаторе. Ученые сравнивают атомы с громоотводами, с одной лишь разницей: громоотводы «притягивают» к себе электричество, а не свет.
Оптические резонаторы используются не только в спектроскопии. К примеру, в лазерной технике резонатор обеспечивает накачку рабочего тела. Мы недавно писали о том, как встроив резонаторы в жировую ткань, физики из Гарвардской медицинской школы научились превращать клетки в лазеры. Кроме того, на базе резонаторов возможно создание памяти для фотонных компьютеров, в которых вместо электрического тока используется свет.
Владимир Королёв
