Una unión virtuosa entre química y óptica cuántica, generada entre un equipo chileno liderado por el investigador del Instituto Milenio de Investigación en Óptica, MIRO, y académico de la Universidad de Santiago de Chile, Felipe Herrera, junto al laboratorio del investigador Markus Raschke, en la Universidad de Colorado Boulder, dio origen a la reciente publicación “Antenna-coupled infrared nano-spectroscopy of intra-molecular vibrational interaction” (Espectroscopía infrarroja de la interacción intramolecular en una nanoantena) en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), una de las revistas científicas de mayor impacto mundial, y donde, entre otros avances, se han dado a conocer resultados como la estructura en hélice del ADN humano en 1953.

En este caso, se trata de un descubrimiento que por primera vez prueba y describe un mecanismo para manipular la transferencia de energía dentro de una molécula en un polímero. “Esto es algo a lo que uno generalmente no tiene acceso porque las moléculas hacen lo que la naturaleza les obliga a hacer, tienen una estructura electrónica establecida y son muy difíciles de manipular”, explicó el investigador MIRO Dr. Felipe Herrera.

No oculta su entusiasmo cuando dice que “logramos demostrar que utilizando efectos de coherencia entra la radiación y la materia en un complejo de renio carbonilo, que se utiliza para fotocatálisis,  es posible manipular la dinámica intrínseca de sus vibraciones. Encontramos una manera de hacerlo, la describimos usando teoría cuántica, en una versión simplificada, y fuimos capaces de describir las modificaciones de las tasas de transferencia entre sus modos vibracionales. Además, pudimos describir cuantitativamente el resultado y eso es un gran logro porque estos sistemas son difíciles de modelar”.

Historia del proceso

Si bien esta investigación tardó un año en obtener resultados, su origen se remonta al 2020, cuando ambos equipos de investigación se preguntaron si podían llevar supuestos de la óptica cuántica para controlar la interacción de la radiación y la materia en estructuras fotónicas, a escalas nanométricas, usando luz infrarroja, que es el régimen en el cual la radiación electromagnética puede interactuar de manera más eficiente con las moléculas.

Después de dos años  confirmaron que es posible describir estados de coherencia cuántica en sistemas nanofotónicos a temperatura ambiente. “Fue un descubrimiento para nosotros como teóricos, ver que era bastante viable describir estos sistemas usando teoría de óptica cuántica convencional, que se inventó para átomos, y utilizarla para describir polímeros con estructuras nanofotónicas a temperatura ambiente”, explicó el Dr. Herrera.

Luego decidieron ir un paso más allá y ver qué posibilidades había de controlar esto usando pulsos de láser ultracortos, de picosegundos, de cientos de femtosegundos, pulsos débiles e intensos y distintas combinaciones de pulsos clásicos en sistemas que pueden permitir la existencia de coherencia cuántica. Así, los investigadores de la Universidad de Colorado Boulder, Sandeep Sharma y Markus B. Raschke, junto al académico de la Usach, Felipe Herrera se embarcaron en un nuevo proyecto.

Para diseñar los dispositivos que entran en resonancia con los campos electromagnéticos en frecuencias específicas, se unieron con la investigadora Hatice Altug y Aurelian John-Herpin del Instituto de Bioingeniería de la Escuela Politécnica Federal de Lausanne, en Suiza, quienes hicieron las muestras para las mediciones.  Luego Roland Wilcken y Jun Nishida, de la Universidad de Colorado Boulder, hicieron las mediciones en laboratorio y los investigadores de MIRO Felipe Herrera y Johan Triana culminaron el proceso con un modelo teórico que describe el sistema y los resultados experimentales.

Al interior de la molécula

“Imagina que tienes una guitarra y que dependiendo de cómo la tocas obtienes diferentes notas”, relata el Dr. Felipe Herrera. Para el investigador posdoctoral Usach-MIRO, Johan Triana, la transferencia de energía dentro de la molécula sería como tocar una conexión nerviosa y sentir el pulso en otra parte del cuerpo, pero en este caso, “la molécula pasa de tocar una nota con un instrumento a tocar otra, lo que se traduce en que la molécula cambia su forma de vibrar”.

Para detectar estas vibraciones intramoleculares se usó espectroscopia unidimensional (1D), otro elemento novedoso, pues comúnmente los experimentos para medir la transferencia energética a nivel molecular usan espectroscopía bidimensional (2D) por medio del método “bombeo-prueba”, que utiliza dos pulsos de láser (uno para inyectar energía en la molécula y otro para captar dónde quedó la señal).

En este caso el equipo de investigación logró obtener señales de la transferencia de energía con un solo pulso de láser a través de la creación de un campo electromagnético cuantizado alrededor del dispositivo que interacciona con el polímero. Allí el campo eléctrico se activa, se emiten fotones y se registra la señal. Esto permite trabajar con conjuntos de moléculas más pequeños y bajar el número de cientos de miles a solo miles de moléculas. 

Desde lo teórico, el Dr. Johan Triana explicó que “lo novedoso se encuentra en que se redujo el número de aproximaciones necesarias para describir cómo se modifican los tiempos de vida de las coherencias a nivel vibracional cuando el sistema molecular se encuentra acoplado a un campo electromagnético  alrededor de una nano antena, además de cómo influyen otros modos de vibración en estos tiempos de vida”. 

A futuro, el equipo espera continuar aplicando esta técnica en otro tipo de sistemas. En ese sentido, el Dr. Herrera destacó que  “este modelo es bastante preciso y la comparación de resultados de nuestro método con experimentos más sofisticados realizados en años anteriores es perfecta, lo que también tuvo un impacto en los revisores de la revista,  porque básicamente estamos inventando una nueva forma de aprender sobre estos materiales”.