Un equipo de investigadores de la División de Espectroscopía Láser del Prof. Theodor W. Hänsch Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y Presidente de Física Experimental de la Ludwig-Maximilians-Universität, Munich ahora ha desarrollado una técnica, dondeSe utiliza una microcavidad óptica para mejorar las señales de dispersión Raman, y la utiliza para el diagnóstico molecular mediante la combinación de Raman y la imagen de absorción.
La dispersión Raman mejorada por cavidad revela información sobre la estructura y las propiedades de los nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono se pueden producir con una variedad de formas y propiedades y, por lo tanto, son de gran interés para aplicaciones generalizadas en campos tan diversos como la electrónica, la fotónica, la nanomecánica y la óptica cuántica. Por lo tanto, es importante tener una herramienta a mano que permitapara determinar estas propiedades de manera rápida y precisa. La espectroscopía Raman es particularmente sensible a la estructura química que da origen a estas propiedades. Sin embargo, las señales son intrínsecamente débiles y requieren técnicas de mejora. Ahora, un equipo de investigadores de la espectroscopía láserLa División del Prof. Theodor W. Hänsch Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y Presidente de Física Experimental de la Ludwig-Maximilians-Universität, Munich ha desarrollado una técnica, en la que se utiliza una microcavidad óptica para mejorar las señales de dispersión Raman,y lo utilizó para el diagnóstico molecular mediante imágenes combinadas de Raman y absorción. A diferencia de otras técnicas, el nuevo enfoque solo se basa enn aumento de las fluctuaciones de vacío del campo electromagnético dentro de una cavidad, lo que permite una mejora significativa sin un fondo no deseado y, por lo tanto, hace de la técnica una herramienta prometedora para la imagen molecular.Nature Communications, 12 de julio de 2016
Cada especie molecular tiene su propia huella digital de frecuencias vibratorias que transporta información sobre su estructura química. La espectroscopía Raman permite detectar ópticamente el espectro vibratorio de una manera poderosa mediante dispersión de luz inelástica. Como técnica óptica, puede permitir la formación de imágenes espaciales y por lo tantocombine el contraste químico con una alta resolución espacial. Esta capacidad abre una gran variedad de aplicaciones para la microscopía Raman, desde el análisis de muestras biológicas hasta la caracterización de nanomateriales y el monitoreo de procesos industriales.
En el presente estudio, se investigan los nanotubos de carbono individuales. Los nanotubos se presentan en una variedad de diámetros y pueden ser metálicos o semiconductores. La espectroscopía Raman es particularmente sensible a la estructura molecular que gobierna estas propiedades, y las imágenes Raman permiten determinar estopara nanotubos individuales. Sin embargo, la dispersión Raman convencional adolece de una señal inherentemente baja, lo cual es particularmente grave para aplicaciones de imágenes y cuando se estudian nanosistemas individuales. "Nuestro enfoque es colocar la muestra de nanotubos, dispersos en un sustrato, dentro de una cavidad microscópica,donde se pueden aprovechar las resonancias ópticas para mejorar el proceso de dispersión Raman. Al mismo tiempo, la cavidad se puede escanear a través de la muestra y enfoca la luz a un tamaño de punto no muy alejado del límite de difracción, de modo que se puedan generar imágenes de alta resolución", explica el Dr. David Hunger, uno de los científicos que trabajan en el proyecto." La cavidad amplifica tanto el Ramanproceso de dispersión, así como la absorción de la muestra.Esto permite combinar la microscopía de absorción ultrasensible con imágenes Raman en una sola medición ".
Para que el efecto de mejora de la cavidad sea grande, en última instancia se requieren cavidades pequeñas capaces de almacenar luz para miles de circulaciones, lo cual es un desafío particular cuando además se desean capacidades de escaneo para propósitos de imagen. En la configuración de microcavidad, desarrollada por el Dr.David Hunger y su equipo, un lado del resonador está hecho de un espejo plano que sirve al mismo tiempo como portador de la muestra bajo investigación. La contraparte es un micro espejo fuertemente curvado en el extremo de una fibra óptica.La luz láser se acopla al resonador a través de esta fibra. El espejo plano se mueve punto por punto con respecto a la fibra para llevar la muestra paso a paso al foco del modo de cavidad. Al mismo tiempo, la distancia entre amboslos espejos se ajustan de modo que la condición de resonancia de la cavidad coincida con la resonancia de un proceso de dispersión Raman. Esto requiere precisión de posicionamiento en el rango de decenas de picómetros ".En un espectro Raman completo, ajustamos paso a paso la separación del espejo para barrer la resonancia de la cavidad a través del rango espectral deseado y recolectar la señal de dispersión Raman mejorada de la cavidad ", explica Thomas Hümmer, el estudiante de doctorado líder en el experimento."Dado que las resonancias de la cavidad son extremadamente estrechas, esto puede conducir a una resolución espectral más allá de las capacidades de los espectrómetros Raman convencionales".
Al mismo tiempo, la señal Raman se ve fuertemente mejorada, debido al llamado efecto Purcell. Este efecto proviene del aumento de las fluctuaciones de vacío y la gran vida útil de los fotones dentro de la microcavidad. En el experimento, esto conduce a una mejora dela luz resonante hasta en un factor 320. Al comparar la señal neta obtenida de una sola línea Raman desde la cavidad con la señal obtenida con el mejor microscopio convencional posible, el experimento de la cavidad logra un aumento de más de 6 veces.permitir aumentar esta mejora en varios órdenes de magnitud en el futuro.
El potencial completo de la técnica se demuestra mediante imágenes hiperespectrales con cavidad mejorada. En tal medición, los espectros Raman con cavidad mejorada se registran en muchos lugares en el espejo, y se puede construir una imagen espacial, que muestre, por ejemplo, la fuerza ola forma de línea de las líneas Raman ". En nuestro experimento estudiamos una transición Raman particular, que es sensible al diámetro y a las propiedades electrónicas del nanotubo. A partir de la imagen hiperespectral podemos deducir el tamaño de un gran conjunto de tubos individuales y determinarsi son metálicos o semiconductores ", explica Thomas Hümmer. Tal análisis puede proporcionar información crucial sobre una muestra.
La aplicabilidad del método a una gran variedad de muestras lo convierte en una herramienta prometedora para la obtención de imágenes Raman de una sola molécula. Además, el esquema podría extenderse para construir láseres Raman con una variedad de materiales novedosos, o podría usarse para ganar cuánticacontrol sobre vibraciones moleculares.
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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