At bryde grænser inden for kvantefotonik:Nye nanokaviteter låser op for nye grænser i lys indespærring

I et betydeligt spring fremad for kvantenanofotonik har et hold af europæiske og israelske fysikere introduceret en ny type polaritoniske hulrum og omdefineret grænserne for lysindeslutning. Dette banebrydende arbejde, detaljeret i en undersøgelse offentliggjort i Nature Materials , demonstrerer en ukonventionel metode til at begrænse fotoner og overvinde de traditionelle begrænsninger inden for nanofotonik.

Fysikere har længe søgt måder at tvinge fotoner ind i stadigt mindre volumener. Fotonens naturlige længdeskala er bølgelængden, og når en foton tvinges ind i et hulrum, der er meget mindre end bølgelængden, bliver det effektivt mere "koncentreret". Denne koncentration øger interaktioner med elektroner og forstærker kvanteprocesser i hulrummet.

På trods af betydelig succes med at begrænse lys i dybe subbølgelængdevolumener, forbliver effekten af ​​dissipation (optisk absorption) en stor hindring. Fotoner i nanokaviteter absorberes meget hurtigt, meget hurtigere end bølgelængden, og denne spredning begrænser anvendeligheden af ​​nanokaviteter til nogle af de mest spændende kvanteapplikationer.

Forskergruppen af ​​prof. Frank Koppens fra ICFO i Barcelona, ​​Spanien, adresserede denne udfordring ved at skabe nanokaviteter med en uovertruffen kombination af subbølgelængdevolumen og forlænget levetid. Disse nanokaviteter, der måler mindre end 100x100nm² i areal og kun 3nm tynde, begrænser lyset i væsentlig længere varighed. Nøglen ligger i brugen af ​​hyperbolske-fonon-polaritoner, unikke elektromagnetiske excitationer, der forekommer i 2D-materialet, der danner hulrummet.

I modsætning til tidligere undersøgelser af fonon polariton-baserede hulrum, bruger dette arbejde en ny og indirekte indeslutningsmekanisme. Nanokaviteterne er lavet ved at bore huller i nanoskala i et guldsubstrat med den ekstreme (2-3 nanometer) præcision af et He-fokuseret ionstrålemikroskop. Efter at have lavet hullerne overføres hexagonal bornitrid (hBN), et 2D-materiale, oven på det.

hBN understøtter elektromagnetiske excitationer kaldet hyperbolske-foton polaritoner, som ligner almindeligt lys, bortset fra at de kan begrænses til ekstremt små volumener. Når polaritonerne passerer over kanten af ​​metallet, oplever de en kraftig refleksion fra det, som gør, at de kan blive indespærret. Denne metode undgår således at forme hBN direkte og bevarer dens uberørte kvalitet, hvilket muliggør meget begrænsede OG langlivede fotoner i hulrummet.

Denne opdagelse begyndte med en tilfældig observation foretaget under et andet projekt, mens man brugte et optisk nærfeltsmikroskop til at scanne 2D-materialestrukturer. Nærfeltsmikroskopet tillader spændende og måling af polaritoner i det mellem-infrarøde område af spektret, og forskerne bemærkede en usædvanlig stærk refleksion af disse polaritoner fra den metalliske kant. Denne uventede observation udløste en dybere undersøgelse, hvilket førte til realiseringen af ​​den unikke indeslutningsmekanisme og dens relation til nanostråledannelse.

Men da de lavede og målte hulrummene, fik holdet en kæmpe overraskelse. "Eksperimentelle målinger er normalt værre, end teorien antyder, men i dette tilfælde fandt vi ud af, at eksperimenterne overgik de optimistiske forenklede teoretiske forudsigelser," sagde førsteforfatter, Dr. Hanan Herzig Sheinfux, fra Bar-Ilan University's Department of Physics. "Denne uventede succes åbner døre til nye applikationer og fremskridt inden for kvantefotonik, og skubber grænserne for, hvad vi troede var muligt."

Dr. Herzig Sheinfux foretog forskningen sammen med prof. Koppens under hans postdoktorale periode ved ICFO. Han har til hensigt at bruge disse hulrum til at se kvanteeffekter, der tidligere blev anset for umulige, samt til yderligere at studere den spændende og kontraintuitive fysik af hyperbolsk fononpolariton-adfærd.

Flere oplysninger: Hanan Herzig Sheinfux et al., Nanokaviteter af høj kvalitet gennem multimodal indeslutning af hyperbolske polaritoner i hexagonalt bornitrid, Naturmaterialer (2024). doi:10.1038/s41563-023-01785-w , www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af Bar-Ilan University