Zhe Fei wees naar de heldere en donkere verticale lijnen die over zijn computerscherm liepen. Dit nano-beeld, hij legde uit, toont de golven geassocieerd met een half-licht, half-materie quasideeltjes bewegen in een halfgeleider.

"Dit zijn golven net als watergolven, " zei Fei, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University en een medewerker van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. "Het is alsof je een steen op het wateroppervlak laat vallen en golven ziet. Maar deze golven zijn exciton-polaritonen."

Exciton-polaritonen zijn een combinatie van licht en materie. Zoals alle quasideeltjes, ze zijn gemaakt in een vaste stof en hebben fysieke eigenschappen zoals energie en momentum. In dit onderzoek, ze werden gelanceerd door een laser te laten schijnen op de scherpe punt van een nano-beeldvormingssysteem gericht op een dunne vlok molybdeendiselenide (MoSe2), een gelaagde halfgeleider die excitonen ondersteunt.

Excitonen kunnen ontstaan ​​wanneer licht wordt geabsorbeerd door een halfgeleider. Wanneer excitonen sterk koppelen met fotonen, ze creëren exciton-polaritonen.

Het is de eerste keer dat onderzoekers real-space afbeeldingen hebben gemaakt van exciton-polaritonen. Fei zei dat eerdere onderzoeksprojecten spectroscopische studies hebben gebruikt om exciton-polaritonen vast te leggen als resonantiepieken of -dalingen in optische spectra. Tot de afgelopen jaren, de meeste studies hebben de quasideeltjes alleen waargenomen bij extreem lage temperaturen - tot ongeveer -450 graden Fahrenheit.

Maar Fei en zijn onderzoeksgroep werkten bij kamertemperatuur met de scanning near-field optische microscoop in zijn campuslab om nano-optische beelden van de quasideeltjes te maken.

"We zijn de eersten die een foto laten zien van deze quasideeltjes en hoe ze zich voortplanten, interfereren en uitzenden, ' zei Fei.

De onderzoekers, bijvoorbeeld, mat een voortplantingslengte van meer dan 12 micron - 12 miljoenste van een meter - voor de exciton-polaritonen bij kamertemperatuur.

Fei zei dat het creëren van exciton-polaritonen bij kamertemperatuur en hun voortplantingskenmerken belangrijk zijn voor het ontwikkelen van toekomstige toepassingen voor de quasideeltjes. Op een dag zouden ze zelfs kunnen worden gebruikt om nanofotonische circuits te bouwen ter vervanging van elektronische circuits voor energie- of informatieoverdracht op nanoschaal.

Fei zei dat nanofotonische circuits met hun grote bandbreedte tot 1 miljoen keer sneller kunnen zijn dan de huidige elektrische circuits.

Een onderzoeksteam onder leiding van Fei rapporteerde onlangs zijn bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurfotonica . De eerste auteur van het papier is Fengrui Hu, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de staat Iowa in natuurkunde en astronomie. Andere co-auteurs zijn Yilong Luan, een doctoraalstudent natuurkunde en astronomie in de staat Iowa; Marie Scott, een recent afgestudeerde student aan de Universiteit van Washington; Jiaqiang Yan en David Mandrus van Oak Ridge National Laboratory en de Universiteit van Tennessee; en Xiaodong Xu van de Universiteit van Washington.

Het werk van de onderzoekers werd ondersteund door fondsen van de staat Iowa en het Ames Laboratory om het onderzoeksprogramma van Fei te lanceren. De W. M. Keck Foundation uit Los Angeles ondersteunde ook gedeeltelijk de nano-optische beeldvorming voor het project.

De onderzoekers ontdekten ook dat door de dikte van de MoSe2-halfgeleider te veranderen, ze konden de eigenschappen van de exciton-polaritonen manipuleren.

Fei, die quasideeltjes bestudeert in grafeen en andere 2D-materialen sinds zijn graduate schooldagen aan de Universiteit van Californië in San Diego, zei dat zijn eerdere werk de deuren opende voor studies van exciton-polaritonen.

"We moeten de fysica van exciton-polaritonen verder onderzoeken en hoe deze quasideeltjes kunnen worden gemanipuleerd, " hij zei.

Dat zou kunnen leiden tot nieuwe apparaten zoals polaritontransistors, zei Fei. En dat zou ooit kunnen leiden tot doorbraken in fotonische en kwantumtechnologieën.