Første topologiske kvantesimulatorenhed i stærkt lys-stof-interaktionsregime til at fungere ved stuetemperaturer

Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har fremstillet en enhed, der ikke er bredere end et menneskehår, som vil hjælpe fysikere med at undersøge den grundlæggende natur af stof og lys. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology , kunne også støtte udviklingen af ​​mere effektive lasere, som bruges inden for områder lige fra medicin til fremstilling.

Enheden er lavet af en speciel slags materiale kaldet en fotonisk topologisk isolator. En fotonisk topologisk isolator kan lede fotoner, de bølgelignende partikler, der udgør lyset, til grænseflader, der er specifikt designet i materialet, samtidig med at de forhindrer disse partikler i at spredes gennem selve materialet.

På grund af denne egenskab kan topologiske isolatorer få mange fotoner til at fungere sammenhængende som én foton. Enhederne kan også bruges som topologiske "kvantesimulatorer", miniaturelaboratorier, hvor forskere kan studere kvantefænomener, de fysiske love, der styrer stof i meget lille skala.

"Den fotoniske topologiske isolator, vi skabte, er unik. Den virker ved stuetemperatur. Dette er et stort fremskridt. Tidligere kunne man kun undersøge dette regime ved hjælp af stort, dyrt udstyr, der superkøler stof i et vakuum. Mange forskningslaboratorier har ikke adgang til denne slags udstyr, så vores enhed kunne give flere mennesker mulighed for at forfølge denne form for grundlæggende fysikforskning i laboratoriet," sagde Wei Bao, assisterende professor ved Institut for Materialevidenskab og Engineering ved RPI og seniorforfatter af undersøgelsen.

"Det er også et lovende skridt fremad i udviklingen af ​​lasere, der kræver mindre energi for at fungere, da vores tærskelværdi for rumtemperaturenheder - den mængde energi, der skal til for at få den til at fungere - er syv gange lavere end tidligere udviklede lavtemperaturenheder, " tilføjede Bao.

RPI-forskerne skabte deres nye enhed med den samme teknologi, der bruges i halvlederindustrien til at lave mikrochips, som involverer lagdeling af forskellige slags materialer, atom for atom, molekyle for molekyle, for at skabe en ønsket struktur med specifikke egenskaber.

For at skabe deres enhed dyrkede forskerne ultratynde plader af halogenidperovskit, en krystal lavet af cæsium, bly og klor, og ætset en polymer oven på den med et mønster. De lagde disse krystalplader og polymer mellem plader af forskellige oxidmaterialer og dannede til sidst en genstand, der var ca. 2 mikron tyk og 100 mikrometer i længden og bredden (det gennemsnitlige menneskehår er 100 mikrometer bredt).

Da forskerne skinnede med et laserlys på enheden, dukkede et glødende trekantet mønster op ved grænsefladerne designet i materialet. Dette mønster, dikteret af enhedens design, er resultatet af topologiske karakteristika for lasere.

"At være i stand til at studere kvantefænomener ved stuetemperatur er et spændende perspektiv. Professor Baos innovative arbejde viser, hvordan materialeteknik kan hjælpe os med at besvare nogle af videnskabens største spørgsmål," siger Shekhar Garde, dekan for RPI School of Engineering.

Flere oplysninger: Topologisk dal Hall polariton kondensation, Natur Nanoteknologi (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01674-6

Journaloplysninger: Natur nanoteknologi

Leveret af Rensselaer Polytechnic Institute