Espectroscopia picométrica de moléculas de hidrógeno en nanocavidades atómicas
Los científicos han observado moléculas de hidrógeno y deuterio en las llamadas picocavidades mediante espectroscopia avanzada
Un equipo internacional de investigación dirigido por Akitoshi Shiotari, del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck (Alemania), Mariana Rossi, del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (Alemania), y Takashi Kumagai, del Instituto de Ciencia Molecular/SOKENDAI (Japón), ha realizado con éxito la observación espectroscópica de una sola molécula de hidrógeno (H₂) y deuterio (D₂) dentro de una picocavidad. La picocavidad se creó entre una nanopunta de plata y un sustrato monocristalino de plata en condiciones criogénicas y de vacío ultraalto mediante espectroscopia Raman mejorada con puntas (TERS).
En los últimos años, las interacciones luz-materia en volúmenes de dimensiones atómicas -las llamadas picocavidades- han despertado un interés creciente en la nanociencia y la nanotecnología. El campo plasmónico extremadamente confinado debido a la resonancia plasmónica se reconoce ahora como una plataforma prometedora para las mediciones a escala atómica y las tecnologías de fotónica cuántica.
En este estudio, la molécula más pequeña -el hidrógeno- se confinó en una picocavidad y se analizó con TERS de alta resolución. Esto permitió realizar espectroscopia molecular picométrica, que visualizó sus modos vibracionales y rotacionales con un detalle sin precedentes. Esto reveló cómo la estructura y las propiedades vibracionales de una sola molécula se ven afectadas por el confinamiento espacial extremo dentro de la picocavidad. Además, al ajustar con precisión la distancia entre la punta de plata y el sustrato, se podía variar específicamente la interacción con la molécula. Esto demostró que sólo el modo vibracional del H₂ -pero no el del D₂- presentaba un cambio significativo, lo que indica un fuerte efecto dependiente del isótopo que no puede detectarse mediante espectroscopias vibracionales convencionales como la espectroscopia Raman.
Para aclarar el origen de este efecto isotópico no trivial, el equipo realizó simulaciones teóricas con teoría del funcional de la densidad (DFT), dinámica molecular integral de trayectorias (PIMD) y Hamiltonianos modelo. Estos cálculos demostraron que la espectroscopia es extremadamente sensible al potencial de interacción local, determinado en gran medida por las fuerzas de van der Waals. La deslocalización mecánica cuántica de los núcleos atómicos -una expansión cuántica a bajas temperaturas- desempeña un papel decisivo en las diferencias observadas: favorece distintas posiciones del H₂ y el D₂ en la picocavidad, lo que da lugar a diferencias considerables en sus espectros vibracionales. El Dr. Rossi explica: "Nos sorprendió la fuerza con la que interactúan el acoplamiento de los modos vibracionales y los efectos nucleares de la mecánica cuántica para producir un efecto isotópico tan pronunciado."
El Dr. Shiotari explica: "Este trabajo profundiza nuestra comprensión de las interacciones luz-molécula y la dinámica cuántica de las moléculas adsorbidas en espacios extremadamente confinados - un avance significativo en la espectroscopia molecular de alta precisión." El profesor Kumagai añade: "Es probable que los métodos y descubrimientos aquí desarrollados contribuyan en el futuro al análisis avanzado de materiales de almacenamiento de hidrógeno y reacciones catalíticas, así como al desarrollo de tecnologías de control cuántico a nivel de molécula única - y, por tanto, también a la próxima generación de tecnología de sensores a nanoescala y fotónica cuántica."
Dispersión Raman de una molécula de hidrógeno en una picocavidad plasmónica.
© FHI
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