Optiske hulrum kunne give nye teknologiske muligheder

Et forskerhold fra NTNU studerer et emne kaldet optiske hulrum, og hvordan lyset fanget i dem interagerer med atomer, molekyler og andre partikler. Teknologien kan vise sig at være værdifuld for udvikling af energieffektive kemiske processer eller lægemiddelsyntese, for eksempel.

Professor Henrik Kochs og ph.d. kandidaterne Rosario R. Riso, Tor S. Haugland og Marcus T. Lexander har vist opsigtsvækkende resultater og får opmærksomhed.

"Vi har observeret en effektiv metode til at beskrive molekyler i optiske hulrum," siger professor Koch, som er ansat både ved NTNUs kemiafdeling på Det Naturvidenskabelige Fakultet og Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS) i Italien.

Deres resultater blev for nylig offentliggjort i Physical Review X og Nature Communications .

Optiske hulrum?

Men hvad er optiske hulrum egentlig? Først og fremmest, husk, at på denne skala virker verden lidt anderledes, end de fleste af os er vant til.

I kvantemekanikken kan partikler og bølger ikke skelnes, fordi de har det, der kaldes en bølge-partikel-dualitet eller en bølgefunktion.

Vi kan heller ikke skelne mellem partikler og lys i optiske hulrum, som har en molekyle-lys-dualitet. Denne kobling skaber nye farver og egenskaber i molekylerne, som kan bruges i kemiske og fysiske processer.

Reflekterende spejle

Optiske hulrum kan skabes ved at bruge to spejle, der er ekstremt tæt på hinanden, typisk nanometer fra hinanden. For at forstå molekyler kræver det, at man ser på det miljø, de befinder sig i.

Alle atomer og molekyler, ligesom ilten i nordlyset, udsender lys, fordi de interagerer med svagt lys, der altid er til stede i et vakuum, eller "tomt" rum. Den særlige kvalitet i dette tilfælde er, at lyset i et tomt optisk hulrum ikke er det samme som lyset i vakuumet udenfor. Placering af et molekyle inde i hulrummet vil ændre både farven og intensiteten af ​​lyset, der kommer fra molekylet.

"I et optisk hulrum lavet af reflekterende spejle kan molekyler interagere stærkt med det kvantemekaniske vakuum," siger Koch.

Forskerholdet arbejder udelukkende med simuleringer, så det er vigtigt at samarbejde med en forsøgsgruppe, der kan teste, om holdets teorier er korrekte.

Til dette formål arbejder forskerholdet sammen med professor John de Mello og ph.d. kandidat Enkui Lian fra NTNU Nano til at fremstille prototyper til brug i forskning.

En almindelig teori

Molekylær orbitalteori er et vigtigt teoretisk værktøj i kemi og er meget brugt i både uorganisk og organisk kemi til at forstå kemiske reaktioner.

"Vi har fundet den første konsistente molekylære orbitalteori for kvanteelektrodynamik - det vil sige en molekylær orbitalteori for molekyler i optiske hulrum," siger Koch.

Using this theory, scientists can predict how molecules will react inside optical cavities, as well as what kinds of colors and properties the molecules will have. + Udforsk yderligere

Accurate theoretical modeling unravels changes in molecules interacting with quantum light