Lille lysboks åbner nye døre ind i nanoverdenen

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har opdaget en helt ny måde at fange, forstærker og forbinder lys med stof på nanoniveau. Ved hjælp af en lille kasse, bygget af stablet atomisk tyndt materiale, det er lykkedes dem at skabe en type feedback-loop, hvor lys og stof bliver ét. Opdagelsen, som for nylig blev offentliggjort i Natur nanoteknologi , åbner op for nye muligheder i nanofotonikkens verden.

Fotonik beskæftiger sig med forskellige måder at bruge lys på. Fiberoptisk kommunikation er et eksempel på fotonik, ligesom teknologien bag fotodetektorer og solceller. Når de fotoniske komponenter er så små, at de måles i nanometer, dette kaldes nanofotonik. For at flytte grænserne for, hvad der er muligt i dette lille format, fremskridt inden for grundforskning er afgørende. Chalmers -forskernes innovative "lysboks" får vekslerne mellem lys og stof til at foregå så hurtigt, at det ikke længere er muligt at skelne mellem de to stater. Lys og materie bliver ét.

"Vi har skabt en hybrid bestående af lige store dele af lys og stof. Konceptet åbner helt nye døre inden for både grundforskning og anvendt nanofotonik, og det er der stor videnskabelig interesse for, " siger Ruggero Verre, en forsker ved Institut for Fysik på Chalmers og en af ​​forfatterne til den videnskabelige artikel.

Opdagelsen skete, da Verre og hans afdelingskolleger Timur Shegai, Denis Baranov, Battulga Munkhbat og Mikael Käll kombinerede to forskellige koncepter på en innovativ måde. Mikael Källs forskerhold arbejder på det, der er kendt som nanoantenner, som kan opfange og forstærke lys på den mest effektive måde. Timur Shegais team udfører forskning i en bestemt type atomisk tyndt todimensionelt materiale kendt som TMDC-materiale, der ligner grafen. Det var ved at kombinere antennekonceptet med stablet todimensionelt materiale, at de nye muligheder blev skabt.

Forskerne brugte et velkendt TMDC-materiale-wolframdisulfid-men på en ny måde. Ved at skabe en lille resonansboks – meget ligesom lydboksen på en guitar – var de i stand til at få lyset og stoffet til at interagere inde i det. Resonansboksen sørger for, at lyset fanges og hopper rundt i en bestemt "tone" inde i materialet, dermed sikre, at lysenergien effektivt kan overføres til elektronerne i TMDC-materialet og tilbage igen. Man kan sige, at lysenergien svinger mellem de to tilstande – lysbølger og stof – mens den fanges og forstærkes inde i kassen. Det er lykkedes forskerne at kombinere lys og stof ekstremt effektivt i en enkelt partikel med en diameter på kun 100 nanometer, eller 0,00001 centimeter.

Denne alt-i-én-løsning er et uventet fremskridt inden for grundforskning, men kan forhåbentlig også bidrage til mere kompakte og omkostningseffektive løsninger inden for anvendt fotonik.

"Det er lykkedes os at demonstrere, at stablede atomisk tynde materialer kan nanostruktureres til små optiske resonatorer, som er af stor interesse for fotonikapplikationer. Da dette er en ny måde at bruge materialet på, vi kalder dette 'TMDC nanofotonik.' Jeg er sikker på, at dette forskningsfelt har en lys fremtid, " siger Timur Shegai, lektor i Institut for Fysik på Chalmers og en af ​​forfatterne til artiklen.