Optiske hulrom kan gi nye teknologiske muligheter
I såkalt optiske hulrom oppfører lys og molekyler seg helt spesielt. Du tror kanskje ikke at dette betyr noe for deg, men det kan det snart gjøre.
Et forskningslag fra NTNU studerer såkalte optiske hulrom og hvordan lyset som er fanget i dem vekselvirker med atomer, molekyler og andre partikler.
Dette kan få betydning i utviklingen av energieffektive kjemiske prosesser og syntese av for eksempel legemidler.
Arbeidet til professor Henrik Koch og stipendiatene Rosario R. Riso, Tor S. Haugland og forsker Enrico Ronca ved CNR Pisa, Italia blir lagt merke til, for det har gitt oppsiktsvekkende resultater.
– Vi har observert en effektiv metode for å beskrive molekyler i optiske hulrom, sier professor Koch, som er ansatt ved både Institutt for kjemi ved Fakultet for naturvitenskap ved NTNU og Scuola Normale Superiore di Pisa i Italia (SNS).
Resultatene ble nylig publisert i Physical Review X og Nature Communications.
Sånn ser en forsker for seg en kjemisk reaksjon i et optisk hulrom. Illustrasjon: Enrico Ronca, IPCF-CNR
Optiske hulrom?
Men hva er nå egentlig optiske hulrom? Først må du huske at i denne skalaen virker verden litt annerledes enn de fleste av oss er vant til.
For i kvantemekanikken kan vi ikke skille mellom partikler og bølger, vi har det som kalles en bølge-partikkeldualitet, eller en bølgefunksjon.
I optiske hulrom kan vi heller ikke skille mellom partikler og lys, der får vi en molekyl-lys-dualitet. Denne koblingen gir molekylene nye farger og egenskaper som vi kan utnytte i kjemiske og fysiske prosesser.
Bruker speil
Optiske hulrom kan vi lage ved å bruke to speil som står helt tett innpå hverandre, typisk med nanometeravstand. Vi kan ikke forstå molekyler uten å se på omgivelsene de befinner seg i.
Forskningen kan blant annet få betydning for synteser innenfor legemiddelindustrien. Illustrasjon: Colourbox
Alle atomer og molekyler, for eksempel oksygen i nordlys, sender ut lys fordi de interagerer med svakt lys som alltid finnes i et vakuum («tomt rom»). Det som er spesielt, er at lyset i et tomt optisk hulrom ikke er likt det i vakuumet utenfor. Når vi da plasserer et molekyl inni hulrommet, vil dette endre både fargen og intensiteten av lyset fra molekylet.
– I et optisk hulrom, laget av reflekterende speil, kan molekyler interagere sterkt med det kvantemekaniske vakuumet, sier Koch.
Forskningsgruppen jobber utelukkende med simuleringer, og derfor er det viktig å samarbeide med en eksperimentell gruppe som kan teste at teoriene deres stemmer.
Sammen med professor John de Mello og stipendiaten Enkui Lian fra NTNU Nano jobber de nå med å fabrikkere prototyper til bruk innen forskning.
En felles teori
Molekylorbitalteori er et viktig teoretisk verktøy innenfor kjemi, og brukes vidt innenfor både uorganisk og organisk kjemi for å forstå kjemiske reaksjoner.
– Vi har funnet den første konsistente molekylærorbitalteorien for kvanteelektrodynamikk, altså en molekylorbitalteori for molekyler i optiske hulrom, sier Koch.
Ved hjelp av denne teorien kan vitenskapsfolk både forutsi hvordan molekyler vil reagere inni optiske hulrom, samt hva slags farger og egenskaper molekylene får.
EU støtter med 25 millioner
At du kan endre molekylenes egenskaper er interessant nok i seg selv for forskere, for ny kunnskap og innsikt er alltid spennende. Men det er ingen ulempe med praktiske anvendelser også, og det kan dette ha.
Forskning på det som skjer i optiske hulrom er et nytt felt innenfor kjemi. Det kan blant annet få betydning for synteser innenfor legemiddelindustrien. Det kan også bli viktig for bruk av katalysatorer som skal starte og holde i gang kjemiske reaksjoner. Kanskje kan det også bety noe for utviklingen av ekstremt raske kvantedatamaskiner som bygger på et lignende konsept.
Mer interessert nå? Det ble i hvert fall EU.
I fjor fikk nemlig Koch og prosjektet QuantumLight et stipend tilsvarende 25 millioner kroner fra Det europeiske forskningsrådet (ERC) for å forske på kjemi i optiske hulrom.
For tiden jobber fagmiljøet for at Norges forskningsråd skal utpeke dem til å bli et Senter for fremragende forskning, et SFF. Da kan de få forskningsstøtte i opptil ti år, noe som gir muligheter for større og mer spennende forskningsprosjekter.
Referanse: Rosario R. Riso, Tor S. Haugland, Enrico Ronca & Henrik Koch. Molecular orbital theory in cavity QED environments. Published: 15 March 2022. Nature Communications volume 13, Article number: 1368 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29003-2
