Slå diffraktionsgrænsen med nanoantenner

Plasmoniske nanoantenner er blandt de varme emner i videnskab i øjeblikket på grund af deres evne til at interagere stærkt med lys, hvilket for eksempel gør dem anvendelige til forskellige former for sansning. Men matcher deres resonans med atomer, molekyler eller såkaldte kvanteprikker har hidtil været vanskelige på grund af de meget forskellige længdeskalaer, der er involveret. Takket være en bevilling fra Engkvistfonden, Timur Shegai, adjunkt ved Chalmers Tekniske Universitet, håber at finde en måde at gøre dette på og dermed åbne døre for applikationer såsom sikre langdistancekommunikationskanaler.

Diffraktionsgrænsen gør det meget svært for lys at interagere med de allermindste partikler eller såkaldte kvantesystemer såsom atomer, molekyler eller kvanteprikker. Størrelsen af ​​en sådan partikel er simpelthen så meget mindre end lysets bølgelængde, at der ikke kan være en stærk vekselvirkning mellem de to. Men ved at bruge plasmoniske nanoantenner, som kan beskrives som metalliske nanostrukturer, der er i stand til at fokusere lys meget stærkt og i bølgelængder mindre end det synlige lyss, man kan bygge en bro mellem lyset og atomet, molekyle eller kvanteprik, og det er det, Timur Shegai arbejder på.

"Plasmoniske nanostrukturer er i sig selv mindre end bølgelængder af lys, men fordi de har mange frie elektroner, kan de lagre den elektromagnetiske energi i et volumen, der faktisk er meget mindre end diffraktionsgrænsen, som hjælper med at bygge bro mellem virkelig små objekter såsom molekyler og de større bølgelængder af lys, " han siger.

Matcher det harmoniske med det uharmoniske

Det lyder måske nemt nok, men problemet med at kombinere de to er, at de opfører sig på meget forskellige måder. Opførselen af ​​plasmoniske nanostrukturer er meget lineær, som en harmonisk oscillator vil den jævnligt bevæge sig fra side til side, uanset hvor meget energi eller med andre ord hvor mange excitationer der er lagret i den. På den anden side, såkaldte kvantesystemer som atomer, molekyler eller kvanteprikker er meget det modsatte - deres optiske egenskaber er meget uharmoniske. Her gør det en stor forskel, om man exciterer systemet med en eller to eller hundredvis af fotoner.

"Forestil dig nu, at du kobler denne uharmoniske resonator og en harmonisk resonator sammen, og tilføje muligheden for at interagere med lys meget stærkere end det uharmoniske system alene ville have tilladt. Det åbner op for meget interessante muligheder for f.eks. kvanteteknologier og for ikke-lineær optik. Men i modsætning til tidligere forsøg, der er blevet udført ved meget lave temperaturer og i et vakuum, vi vil gøre det ved stuetemperatur."

Kommunikationskanaler umulige at hacke

En mulig applikation, hvor denne teknologi kan være nyttig i fremtiden, er at skabe kanaler til langdistancekommunikation, som er umulige at hacke. Med den nuværende teknologi er denne form for sikker kommunikation kun mulig, hvis de personer, der kommunikerer, er inden for en afstand af omkring hundrede kilometer fra hinanden, fordi det er den maksimale afstand, som en individuel foton kan køre i fibre, før den spreder sig, og signalet går tabt.

"Den slags ultra lille og ultrahurtig teknologi, vi ønsker at udvikle, kunne være nyttig i en såkaldt kvanterepeater, en enhed, der kunne installeres på tværs af linjen fra for eksempel New York til London, der ville gentage fotonen hver gang den er ved at blive spredt, " siger Timur Shegai.

Men i øjeblikket det er de grundlæggende aspekter af sammensmeltning af plasmoner med kvantesystemer, der interesserer Timur Shegai. For eksperimentelt at kunne bevise, at der kan være interaktioner mellem de to systemer, han skal først og fremmest fremstille modelsystemer på nano-niveau. Det er en stor udfordring, men med bevilling af 1, 6 millioner SEK over en periode på to år, som han netop har modtaget fra Engkvist-fonden, chancerne for succes er blevet bedre.

"Da jeg er forsker i begyndelsen af ​​min karriere, er hver person en kæmpe forbedring, og nu kan jeg ansætte en post doc til at arbejde med min gruppe. Det betyder, at projektet kan opdeles i underdele, og sammen vil vi være i stand til at udforske flere muligheder om denne nye teknologi."