Forskere laver justerbare lys-stof-koblinger i nanorør-film

Rice University videnskabsmænd er kendt for exceptionel forskning, men et nyt papir ledet af fysikeren Junichiro Kono gør det meget bogstaveligt.

Opdagelsen af ​​ekstraordinære punkter i et unikt materiale skabt af Konos laboratorium er en af ​​flere afsløringer i et papir, der vises i Naturfotonik .

Disse spektrale singulariteter er centrale for et andet fænomen, holdets nyfundne evne til løbende at tune overgangen mellem den svage og ultrastærke kobling af lys og stof indespærret i et vakuum. Den evne kan give forskere mulighed for at udforske nye kvanteteknologier som avanceret informationslagring eller endimensionelle lasere.

Kono og hans kolleger har ekspertise i at sammenkæde fotoner og excitoner (bundne elektron-hul-par) i faste stoffer for at danne kondenseret stof i en kvantebrønd. De rapporterede om deres evne til at gøre det ved at manipulere elektroner med lys og et magnetfelt i 2016. Samme år, de bekendtgjorde deres evne til at lave højt tilpassede, film i waferstørrelse af enkeltvæggede kulstofnanorør.

I det nye værk, Kono og Rice postdoc-forsker og hovedforfatter Weilu Gao kombinerede teknikker fra de tidligere artikler og brugte polariseret lys til at udløse dannelsen af ​​kvasipartikler kendt som polaritoner - stærkt koblet lys og stof - inde i de endimensionelle nanorør i et hulrum ved stuetemperatur. Fordi polaritoner kun kan resonere langs de justerede nanorørs længde, de vises, når indkommende lys er polariseret i samme retning. Når den drejes 90 grader, polaritonerne forsvinder gradvist.

Polarisationsvinklen, ved hvilken polaritoner optræder og forsvinder, er kendt som det exceptionelle punkt, og hverken Kono eller Gao anså det for vigtigt, før en teoretiker-ven trådte til.

"Det var vigtigt at opdage pointen, og overraskende, " sagde Kono. "I vores første version af avisen, vi lagde ikke rigtig vægt på det. Men mens det var under revision, vi viste en teoretiker dataene, og han påpegede, "Du har denne Dirac-punktlignende funktion her." Vi begyndte at se nærmere på det, og der var faktisk et ekstraordinært punkt."

Dirac-punkter er et kendetegn ved grafen; de vises, hvor materialets lednings- og valensbånd forbindes for at gøre det til en perfekt leder af elektricitet. I halvledermaterialer, den energiske adskillelse mellem bånd bestemmer materialets båndgab.

Ekstraordinære punkter er blevet undersøgt i andre sammenhænge; i de seneste eksperimenter, videnskabsmænd viste, at selve lyset kunne bremses eller stoppes på netop et sådant tidspunkt.

"Mange af de unormale egenskaber ved elektroner i grafen er relateret til eksistensen af ​​dette specielle punkt, kaldet Dirac-punktet, eller energi-nulpunkt, " sagde Kono. "Graphens båndstruktur er fuldstændig utraditionel sammenlignet med solide halvledere som galliumarsenid eller silicium, som har lednings- og valensbånd, der definerer deres båndgab.

"I vores tilfælde, vi har en slags båndgab mellem de øvre og nedre polaritoner, når polariseret lys er parallelt med filmene, men at dreje lyspolariseringen ændrer alt. Når du rammer det ekstraordinære punkt, båndgabet lukker, og polaritoner forsvinder."

Kono sagde, at arbejdet også viser, at de justerede nanorør samarbejder med hinanden. "Vakuum Rabi-spaltning (et mål for koblingsstyrke mellem fotoner i vakuumet og elektroner i den faste film) stiger, når vi øger antallet af nanorør, " sagde han. "Dette er bevis på, at nanorørene kohærent samarbejder, når de interagerer med hulrumsfotonerne."

Gao sagde, at Rice-eksperimentet antydede, at der kunne findes en måde at skabe fotoner - elementære partikler af lys - fra et vakuum. Det kan være vigtigt for lagring på kvanteniveau som en måde at udtrække data fra qubits.

"Der er teoretiske forslag til at konvertere virtuelle fotoner til rigtige fotoner, nogle gange kaldet Casimir fotoner, " sagde Kono. "Vi kunne have stof inde i et hulrum, der interagerer med vakuumet, og når vi udløser systemet på en eller anden måde ødelægger vi koblingen, og pludselig kommer fotoner ud. Det er et eksperiment, vi gerne vil lave, fordi det ville være fedt at producere fotoner efter behov fra et vakuum."