Spettroscopia picometrica di molecole di idrogeno in nanocavità atomiche
Gli scienziati hanno osservato molecole di idrogeno e deuterio nelle cosiddette picocavità utilizzando una spettroscopia avanzata
Un team di ricerca internazionale guidato da Akitoshi Shiotari dell'Istituto Fritz Haber della Società Max Planck (Germania), Mariana Rossi dell'Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia (Germania) e Takashi Kumagai dell'Istituto per le Scienze Molecolari/SOKENDAI (Giappone) ha realizzato con successo l'osservazione spettroscopica di singole molecole di idrogeno (H₂) e deuterio (D₂) all'interno di una picocavità. La picocavità è stata creata tra un nanotip d'argento e un substrato d'argento a cristallo singolo in condizioni criogeniche e sotto vuoto spinto, utilizzando la spettroscopia TERS (Tip Enhanced Raman).
Negli ultimi anni, le interazioni luce-materia in volumi di dimensioni atomiche - le cosiddette picocavità - hanno suscitato un crescente interesse nelle nanoscienze e nelle nanotecnologie. Il campo plasmonico estremamente confinato dovuto alla risonanza plasmonica è ora riconosciuto come una piattaforma promettente per le misure su scala atomica e le tecnologie fotoniche quantistiche.
In questo studio, la più piccola molecola - l'idrogeno - è stata confinata in una picocavità e analizzata con TERS ad alta risoluzione. Ciò ha permesso la spettroscopia molecolare picometrica, che ha visualizzato i suoi modi vibrazionali e rotazionali con un dettaglio senza precedenti. Ciò ha permesso di mostrare come la struttura e le proprietà vibrazionali di una singola molecola siano influenzate dall'estremo confinamento spaziale all'interno della picocavità. Inoltre, regolando con precisione la distanza tra la punta d'argento e il substrato, è stato possibile variare in modo specifico l'interazione con la molecola. È emerso che solo il modo vibrazionale di H₂ - ma non quello di D₂ - ha mostrato un cambiamento significativo, indicando un forte effetto dipendente dall'isotopo che non può essere rilevato dalle spettroscopie vibrazionali convenzionali come la spettroscopia Raman.
Per chiarire l'origine di questo effetto isotopico non banale, il team ha eseguito simulazioni teoriche utilizzando la teoria funzionale della densità (DFT), la dinamica molecolare integrale del percorso (PIMD) e modelli hamiltoniani. Questi calcoli hanno dimostrato che la spettroscopia è estremamente sensibile al potenziale di interazione locale, che è in gran parte determinato dalle forze di van der Waals. La delocalizzazione quantomeccanica dei nuclei atomici - un'espansione quantistica a basse temperature - gioca un ruolo decisivo nelle differenze osservate: favorisce posizioni diverse di H₂ e D₂ nella picocavità, il che porta a notevoli differenze nei loro spettri vibrazionali. Il dott. Rossi spiega: "Siamo rimasti sorpresi di come l'accoppiamento dei modi vibrazionali e gli effetti quantomeccanici nucleari interagiscano fortemente per produrre un effetto isotopo così pronunciato".
Il dottor Shiotari spiega: "Questo lavoro approfondisce la nostra comprensione delle interazioni luce-molecola e della dinamica quantistica delle molecole adsorbite in spazi estremamente confinati - un progresso significativo nella spettroscopia molecolare di alta precisione". Il Prof. Kumagai aggiunge: "I metodi e le scoperte qui sviluppate contribuiranno probabilmente all'analisi avanzata dei materiali di stoccaggio dell'idrogeno e delle reazioni catalitiche in futuro, nonché allo sviluppo di tecnologie di controllo quantistico a livello di singola molecola - e quindi anche alla prossima generazione di tecnologia dei sensori su scala nanometrica e alla fotonica quantistica".
Diffusione Raman di una molecola di idrogeno in una picocavità plasmonica.
© FHI
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