Investigadores visualizan acoplamiento direccional de luz y moléculas en la nanoescala

La nano-óptica estudia cómo se comporta la luz cuando se comprime a dimensiones extremadamente pequeñas, comparables a una canica frente al tamaño de la Tierra. En este universo minúsculo, las reglas cambian y las propiedades de la luz y su interacción con la materia se modifican de forma notable, lo que permite estudiar fenómenos no observables a escalas mayores en el mundo cotidiano.

Investigadores del grupo de Nano-óptica Cuántica de la Universidad de Oviedo y del Centro de Investigación de Nanomateriales y Nanotecnología (CINN-CSIC), en colaboración con el grupo de Nanofotónica 2D del Donostia International Physics Center (DIPC), han observado por primera vez cómo la luz confinada a escala nanométrica puede interactuar de forma direccional con las vibraciones de moléculas orgánicas. El estudio, publicado en la revista Nature Photonics, abre posibilidades para la manipulación de propiedades químicas en direcciones controladas (nanoquímica direccional), así como para el desarrollo de novedosos sensores capaces de reconocer cantidades muy pequeñas de moléculas.

Los investigadores del grupo de Nano-óptica Cuántica de la Universidad de Oviedo han aprovechado las propiedades únicas de un material llamado trióxido de molibdeno (MoO₃), el cual puede separarse en láminas de apenas varios átomos de grosor. Por ello, se conoce también como material bidimensional, lo que le atribuye características extraordinarias como albergar luz en la nanoescala, es decir nanoluz, que viaja de forma direccional. Este mismo grupo ya demostró que, apilando varias láminas de este mismo material, era posible controlar la direccionalidad de la nanoluz. Sin embargo, en este nuevo estudio, el equipo ha ido un paso más allá, mostrando cómo la nanoluz puede interactuar fuertemente con moléculas orgánicas (como las presentes en nuestro cuerpo) de forma direccional; es decir, con más intensidad en unas direcciones que en otras.

Esta interacción ocurre entre la nanoluz y las vibraciones de las moléculas. Cada molécula vibra de manera única, como si tuviera una firma o huella digital propia, lo que permite identificarla con gran precisión. Detectar estas firmas es la base de muchas tecnologías, desde análisis médicos hasta sensores medioambientales.

‘‘Lo que hemos visto es que esta interacción entre nanoluz y vibraciones moleculares puede dirigirse e intensificarse en ciertas direcciones, y eso es completamente nuevo’’, explica Ana Isabel Fernández-Tresguerres Mata, coprimera autora del estudio y reciente doctora en Física por la Universidad de Oviedo. ‘‘El MoO₃ actúa como una excelente plataforma para favorecer el acoplamiento en direcciones específicas, lo que abre nuevas posibilidades para el desarrollo de sistemas de detección avanzados’’, explica José Álvarez Cuervo, coautor del estudio e investigador predoctoral del grupo.

Además, este tipo de interacción tan intensa se conoce como acoplamiento fuerte, y permite que luz y materia intercambien energía de forma muy eficiente. En este régimen, pueden ocurrir fenómenos extraordinarios como alteraciones en las propiedades químicas. ‘‘Este descubrimiento tiene profundas implicaciones en la reactividad química y la detección molecular. Estamos ante un paso más hacia la manipulación selectiva de la materia a escala nanométrica’’, añade Christian Lanza, investigador predoctoral y también coprimer autor del artículo.

‘‘El acoplamiento fuerte es uno de los fenómenos más significativos de la óptica cuántica. Bajo una interacción tan intensa, la luz y la materia dejan de considerarse entidades separadas para fusionarse y crear un estado fundamentalmente nuevo. Nuestro artículo amplía la comprensión de este efecto extraordinario’’, destaca Kirill Voronin, investigador del DIPC y reciente doctor en Física por la Universidad del País Vasco.

“En el futuro queremos profundizar en el estudio del acoplamiento fuerte direccional entre luz y materia. El objetivo final sería controlar enlaces químicos individuales con luz, una especie de nanoquímica óptica”, afirma Pablo Alonso González, líder del grupo de Nano-óptica Cuántica en la Universidad de Oviedo.