Styring af ultra-stærk lysstofkobling ved stuetemperatur

Fysikere ved Chalmers University of Technology i Sverige, sammen med kolleger i Rusland og Polen, har formået at opnå ultra-stærk kobling mellem lys og stof ved stuetemperatur. Opdagelsen er vigtig for grundforskning og kan bane vejen for fremskridt inden for lyskilder, nanomaskiner og kvanteteknologi.

Et sæt med to koblede oscillatorer er et af de mest fundamentale og meget udbredte systemer inden for fysik. Det er en meget generel legetøjsmodel, der beskriver en overflod af systemer, herunder guitarstrenge, akustiske resonatorer, fysikken i børns gynger, molekyler og kemiske reaktioner, gravitationsbundne systemer, og kvantehuleelektrodynamik.

Koblingsgraden mellem de to oscillatorer er en vigtig parameter, der for det meste bestemmer det koblede systems adfærd. Imidlertid, man ved ikke meget om den øvre grænse, hvormed to pendler kan koble hinanden - og hvilke konsekvenser en sådan kobling kan have.

De nyligt præsenterede resultater, udgivet i Naturkommunikation , give et indblik i domænet for den såkaldte ultra-stærke kobling, hvor koblingsstyrken bliver sammenlignelig med oscillatorernes resonansfrekvens. Koblingen i dette arbejde realiseres gennem interaktion mellem lys og elektroner i et lille system bestående af to guldspejle adskilt af en lille afstand og plasmoniske guldnanoroder. På en overflade, der er hundrede gange mindre end enden af ​​et menneskehår, forskerne har vist, at det er muligt at skabe kontrollerbar ultrastærk interaktion mellem lys og stof under omgivelsesbetingelser-det vil sige, ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk.

"Vi er ikke de første til at realisere ultra-stærk kobling. Men generelt set stærke magnetfelter, højt vakuum og ekstremt lave temperaturer er påkrævet for at opnå en sådan grad af kobling. Når du kan udføre det i et almindeligt laboratorium, det gør det muligt for flere forskere at arbejde på dette område, og det giver værdifuld viden i grænselandet mellem nanoteknologi og kvanteoptik, "siger Denis Baranov, en forsker ved Chalmers University of Technology og den første forfatter til det videnskabelige papir.

En unik duet, hvor lys og stof blander sig i et fælles objekt

For at forstå det system, forfatterne har indset, man kan forestille sig en resonator, i dette tilfælde repræsenteret af to guldspejle adskilt af et par hundrede nanometer, som en enkelt tone i musikken. Nanoroderne fremstillet mellem spejlene påvirker, hvordan lys bevæger sig mellem spejlene og ændrer deres resonansfrekvens. I stedet for bare at lyde som en enkelt tone, i det koblede system, tonen deler sig i to:en lavere tonehøjde og en højere tonehøjde.

Energiseparationen mellem de to nye pladser repræsenterer interaktionens styrke. Specifikt, i den ultra-stærke koblingskasse, interaktionsstyrken er så stor, at den kan sammenlignes med frekvensen af ​​den originale resonator. Dette fører til en unik duet, hvor lys og stof blandes i et fælles objekt, danner kvasi-partikler kaldet polaritoner. Polaritons hybridkarakter giver et sæt spændende optiske og elektroniske egenskaber.

Antallet af guld nanoroder klemt mellem spejlene styrer, hvor stærk interaktionen er. Men samtidig, den styrer den såkaldte nulpunktsenergi i systemet. Ved at øge eller reducere antallet af stænger, det er muligt at levere eller fjerne energi fra systemets jordtilstand og derved øge eller reducere energien, der er lagret i resonatorboksen.

Opdagelsen gør det muligt for forskere at lege med naturlovene

Især forfatterne målte indirekte, hvordan antallet af nanoroder ændrer vakuumenergien ved at "lytte" til tonerne i det koblede system - det vil sige kigger på lysoverførselsspektrene gennem spejlene med nanoroderne - og udfører simpel matematik. De resulterende værdier viste sig at være sammenlignelige med termisk energi, hvilket kan føre til observerbare fænomener i fremtiden.

"Et koncept til at skabe kontrollerbar ultra-stærk kobling ved stuetemperatur i relativt enkle systemer kan tilbyde et testbed for grundlæggende fysik. Det faktum, at denne ultra-stærke kobling" koster "energi, kan føre til observerbare effekter, for eksempel kan det ændre reaktiviteten af ​​kemikalier eller skræddersy van der Waals interaktioner. Ultra-stærk kobling muliggør en række spændende fysiske fænomener, "siger Timur Shegai, Lektor på Chalmers og sidste forfatter af den videnskabelige artikel.

Med andre ord, denne opdagelse giver forskere mulighed for at lege med naturlovene og teste grænserne for kobling.

"Da emnet er ganske grundlæggende, potentielle applikationer kan variere. Vores system giver mulighed for at nå endnu stærkere koblingsniveauer, noget kendt som dyb stærk kobling. Vi er stadig ikke helt sikre på, hvad grænsen for kobling i vores system er, men det er klart meget højere, end vi ser nu. Vigtigere, platformen, der gør det muligt at studere ultra-stærk kobling, er nu tilgængelig ved stuetemperatur, "siger Timur Shegai.