Udforskning af grænserne for lys-stof-kobling på nanoskala

Samspillet mellem lys og stof omfatter et forbløffende spektrum af fænomener, fra fotosyntese til de fængslende farver i regnbuer og sommerfuglevinger. Hvor forskelligartede disse manifestationer end måtte være, de involverer meget svag let-stof-kobling - i det væsentlige, lys interagerer med materialesystemet, men ændrer ikke dets grundlæggende egenskaber. Et markant anderledes sæt af fænomener opstår, imidlertid, for systemer, der er kunstigt konstrueret til at maksimere lys-stof-kobling. Så kan spændende kvantetilstande opstå, som hverken er lys eller stof, men en hybrid af de to. Sådanne tilstande er af stor interesse fra et grundlæggende synspunkt såvel som for at skabe nye funktionaliteter, for eksempel for at muliggøre interaktioner mellem fotoner. De stærkeste koblinger til dato er blevet realiseret med halvledermaterialer begrænset til små fotoniske hulrum. I disse anordninger øges koblingen typisk ved at gøre hulrummet stadig mindre. Men selvom relaterede fremstillingsudfordringer kan løses, tilgangen er ved at støde på fundamentale fysiske grænser, som et hold ledet af professorerne Giacomo Scalari og Jérôme Faist ved Institute of Quantum Electronics rapporterer i et papir offentliggjort i dag i Naturfotonik . Med dette arbejde, de sætter kvantitative grænser for miniaturiseringen af ​​sådanne nanofotoniske enheder.

Fra styrke til styrke...

I de sidste fire årtier, Der er udviklet forskellige platforme til at opnå en stærk kobling mellem lys og stof. Blandt dem, en eksperimentelt banebrydende af Scalari i Faist-gruppen skiller sig ud, ved, at den næsten uafbrudt siden 2011 har leveret en af ​​de stærkeste letstofkoblinger, der er realiseret på tværs af alle platforme. Vigtigt, i løbet af at sætte stadig nye rekorder, de nåede det "ultrastærke" regime, hvor letstof-koblingen er sammenlignelig med de relevante energier i det ukoblede stofsystem giver adgang til et væld af nye fænomener.

I hjertet af deres rekordindstillingsplatform er såkaldte metalliske splitring-resonatorer (se figuren), hvor elektromagnetiske felter kan lokaliseres i ekstremt små volumener, et godt stykke under bølgelængden af ​​lyset - typisk terahertz (THz) stråling - der er involveret. De mikrometerstore mellemrum i disse resonatorer er fyldt med halvlederkvantebrønde med passende elektroniske egenskaber, at tjene som sagssystem. En naturlig vej til at øge koblingen mellem excitationer i kvantebrøndene og lyset indespærret i resonatoren er så at mindske bredden af ​​mellemrummet (d i figuren). Men hvor stærk en kobling kan konstrueres på denne måde forblev et åbent spørgsmål.

… men inden for grænserne

Shima Rajabali, en ph.d. studerende i gruppen af ​​Scalari og Faist, takket være kvantebrønde dyrket af deres seniorforsker Mattias Beck og en teoriundersøgelse af Simone De Liberato og Erika Cortese ved University of Southampton (UK), har nu teoretisk og eksperimentelt undersøgt, om der er en fundamental fysisk grænse for subbølgelængdeindeslutning i sådanne systemer. Holdet fandt ud af, at der faktisk er:Hvis det elektromagnetiske felt er koncentreret til stadigt mindre volumener, så på et tidspunkt begynder selve naturen af ​​lysstofhybridtilstandene (i deres tilfælde er disse kendt som polaritoner) at ændre sig. Denne grundlæggende ændring i polaritoniske egenskaber forhindrer igen en yderligere stigning i koblingsstyrken.

Denne begrænsning er ikke noget fjernt scenarie. I state-of-the-art nanofotoniske enheder er signaturer af denne paradigmeændring allerede blevet mødt. Bare at der ikke har været nogen fast forståelse af de bagvedliggende årsager. Dette hul er nu udfyldt af Rajabali et al. Også, deres nyudviklede ramme gælder muligvis ikke kun for de specifikke enheder, de studerede, men også til andre nano-optiske systemer, for eksempel dem, der er baseret på grafen eller overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er), og for andre resonatorgeometrier end splitring-resonatorer. Som sådan, det nye arbejde skulle give generelle kvantitative grænser for let-stof-kobling.

At gå ikke-lokalt

For at udforske begrænsningerne for at øge lys-stof-koblingen ved at formindske subbølgelængdevolumenet, som lyset er begrænset til, holdet udviklede en teoretisk ramme, hvis forudsigelser de testede eksperimentelt og i computersimuleringer. Et centralt fund var, at på de mindste længdeskalaer, der blev betragtet - de undersøgte enheder med huller ned til 250 nanometer brede - opstod der ikke-lokale effekter. Disse skyldes det faktum, at under en kritisk længdeskala, da der er tilvejebragt et stort momentum i flyet for transportører, det tæt afgrænsede lysfelt i resonatoren kobles ikke kun til bundne elektroniske tilstande i kvantebrønden, men til et kontinuum af excitationer med højt momentum, der stammer fra en kendt todimensionel plasmondispersion i kvantebrønden. Dette åbner op for nye tabskanaler, til sidst ændrer på en fundamental måde, hvordan lys og stof interagerer i disse nanofotoniske enheder.

Rajabali og kolleger viser, at denne transformation til et regime styret af polaritonisk ikke-lokalitet giver anledning til fænomener, der ikke kan reproduceres af de klassiske og lineære kvanteteorier, der normalt bruges til at modellere samspillet mellem lys og stof. Med andre ord, vi kan være sikre på, at der er meget, der skal udforskes på den fascinerende arena af lys-stof-interaktion.