Multipartikel nanostrukturer til opbygning af bedre kvanteteknologier

I Naturfysik , tilbyder LSU Quantum Photonics Group frisk indsigt i de grundlæggende træk ved overfladeplasmoner, hvilket udfordrer den eksisterende forståelse. Baseret på eksperimentelle og teoretiske undersøgelser udført i lektor Omar Magaña-Loaizas laboratorium markerer disse nye resultater et betydeligt fremskridt inden for kvanteplasmonik, muligvis det mest bemærkelsesværdige i det seneste årti.

Mens tidligere forskning på området overvejende har fokuseret på den kollektive adfærd af plasmoniske systemer, antog LSU-gruppen en særskilt tilgang. Ved at se plasmoniske bølger som et puslespil, var de i stand til at isolere multipartikelundersystemer eller nedbryde puslespillet i stykker. Dette gjorde det muligt for holdet at se, hvordan forskellige stykker arbejder sammen og afslørede et andet billede, eller i dette tilfælde, ny adfærd for overfladeplasmoner.

Plasmoner er bølger, der bevæger sig langs overfladen af ​​metaller, når lys er koblet til ladningssvingninger. Ligesom at kaste småsten i vand genererer krusninger, er plasmoner "krusninger", der rejser langs metaloverflader. Disse små bølger fungerer på en nanometerskala, hvilket gør dem afgørende inden for områder som nanoteknologi og optik.

"Det, vi fandt, er, at hvis vi ser på kvanteundersystemerne af plasmoniske bølger, kan vi se omvendte mønstre, skarpere mønstre og modsat interferens, hvilket er fuldstændig modsat den klassiske adfærd," forklarede Riley Dawkins, en kandidatstuderende og med- førsteforfatter af undersøgelsen, som ledede den teoretiske undersøgelse.

Ved at bruge lys rettet mod en guld nanostruktur og observere opførselen af ​​spredt lys, observerede LSU kvantegruppen, at overfladeplasmoner kan udvise egenskaber af både bosoner og fermioner, som er fundamentale partikler i kvantefysik. Dette betyder, at kvanteundersystemer kan udvise ikke-klassisk adfærd, såsom at bevæge sig i forskellige retninger, afhængigt af specifikke forhold.

"Forestil dig, at du cykler. Du skulle tro, at de fleste af dine atomer bevæger sig i samme retning som cyklen. Og det gælder for de fleste af dem. Men faktisk er der nogle atomer, der bevæger sig i den modsatte retning." forklarede Magaña-Loaiza.

"En af konsekvenserne af disse resultater er, at man ved at forstå disse meget grundlæggende egenskaber ved plasmoniske bølger, og vigtigst af alt, denne nye adfærd, kan udvikle mere følsomme og robuste kvanteteknologier."

I 2007 udløste brugen af ​​plasmoniske bølger til miltbranddetektion forskning i anvendelse af kvanteprincipper til forbedret sensorteknologi.

I øjeblikket stræber forskere efter at integrere disse principper i plasmoniske systemer for at skabe sensorer med øget følsomhed og præcision. Dette fremskridt rummer betydelige løfter på tværs af forskellige områder, herunder medicinsk diagnostik, lægemiddeludviklingssimuleringer, miljøovervågning og kvanteinformationsvidenskab.

Undersøgelsen er klar til at få en betydelig indflydelse på kvanteplasmonik, da forskere verden over vil udnytte resultaterne til kvantesimuleringer. Chenglong You, assisterende forskningsprofessor og tilsvarende forfatter, sagde:"Vores resultater afslører ikke kun denne interessante nye adfærd i kvantesystemer, men det er også det kvanteplasmoniske system med det hidtil største antal partikler, og det alene løfter kvantefysikken til et andet niveau."

Kandidatstuderende og medforfatter Mingyuan Hong ledede den eksperimentelle fase af undersøgelsen. På trods af kompleksiteten af ​​kvanteplasmoniske systemer bemærkede Hong, at hans primære udfordringer under eksperimenterne var eksterne forstyrrelser.

"Vibrationerne fra forskellige kilder, såsom vejbygning, udgjorde en betydelig udfordring på grund af den ekstreme følsomhed af den plasmiske prøve. Ikke desto mindre lykkedes det os til sidst at udvinde kvanteegenskaber fra plasmoniske bølger, et gennembrud, der forbedrer følsomme kvanteteknologier. Denne præstation kunne åbne op for nye muligheder for fremtidige kvantesimuleringer."

Med titlen "Nonclassical Near-Field Dynamics of Surface Plasmons," forskningen blev udført udelukkende på LSU. "Alle forfatterne til denne undersøgelse er tilknyttet LSU Fysik &Astronomi. Vi har endda en medforfatter, som var gymnasieelev på det tidspunkt, hvilket jeg er meget stolt af," sagde Magaña-Loaiza. Denne nye forskning er indledt med tidligere LSU-arbejde.

Flere oplysninger: Mingyuan Hong et al., Ikke-klassisk nærfeltsdynamik af overfladeplasmoner, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02426-y

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Louisiana State University