Les excitacions de baixa freqüència podrien aviat mapar-se amb precisió nanomètrica
Investigadors de l’ICFO han proposat una tècnica que podria, per primera vegada, detectar excitacions de baixa freqüència en materials no lineals i, alhora, localitzar-les espacialment amb resolució nanomètrica. Mitjançant exemples realistes, mostren com el seu mètode podria identificar empremtes moleculars de l’infraroig llunyà a escala nanomètrica. Aquest marc teòric, publicat a Nature Communications, podria implementar-se utilitzant llum visible i microscopis electrònics ja existents.
Els àtoms mai romanen completament fixos, ni tan sols dins dels materials sòlids. En lloc d’això, vibren al voltant de les seves posicions d’equilibri, fet que origina excitacions col·lectives conegudes com a fonons. Aquestes i altres excitacions fonamentals són extremadament difícils de mesurar amb una resolució espacial de nanòmetres, principalment perquè les seves freqüències són tan baixes que les tècniques òptiques convencionals no les poden resoldre. De fet, encara no existeix cap mètode capaç d’accedir a informació en el règim que va de l’infraroig llunyà fins als terahercis amb resolució nanomètrica.
Ara, investigadors de l’ICFO, la Leila Prelat i el Dr. Eduardo Dias, dirigits pel Prof. ICREA F. Javier García de Abajo, han proposat en l’àmbit teòric una nova tècnica anomenada catodoluminescència per mescla d’ones (wave-mixing cathodoluminescence, WMCL) per mapar excitacions de baixa freqüència (de l’infraroig llunyà als terahercis) en materials no lineals amb resolució nanomètrica. L’enfocament, descrit a Nature Communications, utilitza exclusivament llum visible, eliminant la necessitat de fonts i detectors especialitzats de baixa freqüència.
El mètode WMCL comença dirigint un feix d’electrons cap a la mostra, cosa que dona lloc a excitacions de baixa freqüència, com ara vibracions de fonons. Alhora, la mostra s’il·lumina amb llum làser visible. A causa de la resposta òptica no lineal del material, la llum làser i les excitacions de baixa freqüència interactuen en lloc d’evolucionar de manera independent, mesclant-se a través d’un procés anomenat mescla d’ones. Aquesta interacció produeix un desplaçament de freqüència diminut però detectable en la llum làser dispersada, que, no obstant això, es manté dins del rang visible.
Així, en el petit desplaçament de freqüència hi ha codificada informació del rang dels terahercis, encara que la llum detectada continuï sent visible. “En altres paraules, la mescla no lineal permet que excitacions de baixa freqüència invisibles s’imprimeixin en fotons visibles”, explica la Leila Prelat, primera autora de l’article. El professor Javier García de Abajo, investigador principal de l’estudi, afegeix: “Aquest mètode obre un nou canal de mesura a baixa freqüència en un camp en què cap tècnica existent compleix amb la combinació requerida de resolució espacial i espectral”.
L’equip també ha mostrat com el WMCL podria utilitzar-se per identificar diferents components químics dins de capes moleculars fines dipositades sobre nanoestructures. En particular, van analitzar nanobarres de plata (nanoestructures unidimensionals allargades) recobertes amb una capa molecular de retinal. Ara cal una realització experimental per validar aquestes prediccions i explorar aplicacions addicionals, entre elles l’extensió del WMCL més enllà de les vibracions moleculars, la qual cosa permetria sondejar altres tipus d’excitacions de baixa freqüència.
Referència:
Prelat, L., Dias, E.J.C. & García de Abajo, F.J. Wave-mixing cathodoluminescence microscopy of low-frequency excitations. Nat Commun 16, 11551 (2025).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67288-1
Agraïments:
This work was supported by the European Research Council (Adv. Grant 101141220-QUEFES), the European Commission (FET-Proactive 101017720-eBEAM), the Spanish MICIU (PID2024-157421NB-I00 and Severo Ochoa CEX2024-001490-S), and the CERCA program.