Forskere udvikler en unik proces til fremstilling af lysstofblanding

I banebrydende ny forskning, et internationalt team af forskere under ledelse af University of Minnesota Twin Cities har udviklet en unik proces til fremstilling af en kvantetilstand, der er del lys og del materie.

Opdagelsen giver grundlæggende ny indsigt til mere effektivt at udvikle den næste generation af kvantebaserede optiske og elektroniske enheder. Forskningen kan også have indflydelse på at øge effektiviteten af ​​kemiske reaktioner i nanoskala.

Forskningen er publiceret i Natur fotonik .

Kvantevidenskab studerer naturfænomener i lys og stof på de mindste skalaer. I dette studie, forskerne udviklede en unik proces, hvor de opnåede "ultrastærk kobling" mellem infrarødt lys (fotoner) og stof (atomvibrationer) ved at fange lys i bittesmå, ringformede huller i et tyndt lag guld. Disse huller var så små som to nanometer, eller cirka 25, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Disse nanokaviteter, ligner en meget nedskaleret version af koaksialkablerne, der bruges til at sende elektriske signaler (som kablet, der kommer ind i dit tv), blev fyldt med siliciumdioxid, hvilket i det væsentlige er det samme som vinduesglas. Unikke fremstillingsmetoder, baseret på teknikker udviklet i computerchipindustrien, gøre det muligt at producere millioner af disse hulrum samtidigt, med dem alle samtidig udviser denne ultrasterke foton-vibrationskobling.

"Andre har undersøgt stærk kobling af lys og stof, men med denne nye proces til konstruktion af nanometerstørrelse af koaksialkabler, vi skubber grænserne for ultrastrong kobling, hvilket betyder, at vi opdager nye kvantetilstande, hvor stof og lys kan have meget forskellige egenskaber, og usædvanlige ting begynder at ske, "sagde Sang-Hyun Åh, en professor i elektroteknik og edb -teknik fra University of Minnesota og seniorforfatteren af ​​undersøgelsen. "Denne ultrastærke kobling af lys og atomvibrationer åbner alle mulige muligheder for at udvikle nye kvantebaserede enheder eller ændre kemiske reaktioner."

Samspillet mellem lys og stof er centralt for livet på jorden - det gør det muligt for planter at omdanne sollys til energi, og det giver os mulighed for at se objekter omkring os. Infrarødt lys, med bølgelængder meget længere end hvad vi kan se med vores øjne, interagerer med atomernes vibrationer i materialer. For eksempel, når en genstand opvarmes, atomer, der udgør objektet, begynder at vibrere hurtigere, afgiver mere infrarød stråling, muliggør termisk billeddannelse eller nattesynskameraer.

Omvendt bølgelængderne for infrarød stråling, der absorberes af materialer, afhænger af, hvilken slags atomer der udgør materialerne, og hvordan de er arrangeret, så kemikere kan bruge infrarød absorption som et 'fingeraftryk' til at identificere forskellige kemikalier.

Disse og andre applikationer kan forbedres ved at øge, hvor stærkt infrarødt lys interagerer med atomvibrationer i materialer. Det her, på tur, kan opnås ved at fange lyset i et lille volumen, der indeholder materialerne. Indfangning af lys kan være så simpelt som at få det til at reflektere frem og tilbage mellem et par spejle, men meget stærkere interaktioner kan realiseres, hvis metalliske strukturer i nanometer-skala, eller 'nanokaviteter, 'bruges til at begrænse lyset på ultra-små længder.

Når dette sker, interaktionerne kan være stærke nok til, at lysets og vibrationernes kvantemekaniske natur spiller ind. Under sådanne forhold, den absorberede energi overføres frem og tilbage mellem lyset (fotoner) i nanokaviteterne og atomvibrationerne (fononer) i materialet med en hastighed, der er hurtig nok til, at lysfonen og materiefononen ikke længere kan skelnes. Under sådanne forhold, disse stærkt koblede tilstande resulterer i nye kvantemekaniske objekter, der er dellys og delvibrationer på samme tid, kendt som polaritoner.

Jo stærkere interaktionen bliver, den fremmede de kvantemekaniske virkninger, der kan forekomme. Hvis interaktionen bliver stærk nok, det kan være muligt at skabe fotoner ud af vakuumet, eller at få kemiske reaktioner til at foregå på måder, der ellers er umulige.

"Det er fascinerende, at i dette koblingsregime, vakuum er ikke tomt. I stedet, den indeholder fotoner med bølgelængder bestemt af de molekylære vibrationer. I øvrigt, disse fotoner er ekstremt begrænsede og deles af et minuts antal molekyler, "sagde professor Luis Martin-Moreno ved Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) i Spanien, en anden forfatter til papiret.

"Normalt, vi tænker på vakuum som stort set ingenting, men det viser sig, at denne vakuumudsving altid eksisterer, "Åh sagde." Dette er et vigtigt skridt til faktisk at udnytte denne såkaldte nul energisvingning for at gøre noget nyttigt. "