Het bereiken van sterke licht-materie-interactie op kwantumniveau is altijd een centrale taak geweest in de kwantumfysica sinds de opkomst van kwantuminformatie en kwantumcontrole. Echter, de schaalmismatch tussen de kwantumstralers (nanometers) en fotonen (micrometers) maakt de taak uitdagend. Metalen nanostructuren lossen de mismatch op door het licht in nanoschaalvolume te persen, maar hun ernstige dissipaties maken kwantumcontroles onwaarschijnlijk. Nutsvoorzieningen, een groep onder leiding van Xiao Yun-Feng van de Universiteit van Peking (China) heeft theoretisch aangetoond dat de sterke licht-materie-interactie op kwantumniveau kan worden bereikt met behulp van microcavity-engineered metalen nanostructuren. Dit resultaat is gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Sterke koppeling is van fundamenteel belang voor het implementeren van kwantumpoorten in kwantumcomputers en ook cruciaal voor het verhogen van de signaal-ruisverhouding in detectietoepassingen. Om een ​​sterke koppeling te realiseren, de coherente interactiesterkte moet de dissipatiesnelheden van het systeem overschrijden. Hoewel de metalen nanostructuren een hoge interactiesnelheid bieden, de dissipaties die inherent zijn aan metalen zijn meestal nog sterker. Als resultaat, sterke koppeling in metalen nanostructuren is alleen gerealiseerd in extreme experimentele omstandigheden.

In dit werk, de onderzoekers melden dat de dissipatie kan worden onderdrukt door de elektromagnetische omgeving van metalen nanostructuren te ontwerpen. Een optische microholte zorgt voor een niet-triviale elektromagnetische omgeving die het stralingsuitgangskanaal van de metalen nanostructuren aanzienlijk verbreedt, de energie uit het dissipatieve gebied leiden en zo de dissipaties onderdrukken. Met zo'n interface, energie en informatie kunnen zowel met hoge snelheid als met hoge efficiëntie uit de enkele kwantumstraler worden geleid.

"Theoretisch model laat zien dat door microholtes ontworpen metalen structuren de stralingsefficiëntie van een kwantumstraler met 40 keer kunnen verhogen en de stralingsoutput met 50 keer, vergeleken met metalen nanostructuren in het vacuüm", zei Peng Pai, die een undergraduate was aan de Universiteit van Peking en nu een Ph.D. student aan het Massachusetts Institute of Technology. belangrijk, omkeerbare energie-uitwisseling tussen het foton en de kwantumemitter met THz-snelheid kan worden bereikt, manifesteert de sterke interactie tussen licht en materie op kwantumniveau.

"Onze aanpak om de dissipaties te verminderen, wordt niet beperkt door de schaal, vorm, en materiaal van de metalen nanostructuren, " zei professor Xiao. "In combinatie met eerdere benaderingen, het is veelbelovend om de ultramoderne licht-materie-interface op nanoschaal te bouwen met behulp van microcavity-engineered metalen nanostructuren, een nieuw platform bieden voor de studie van kwantumplasmonica, quantum informatieverwerking, nauwkeurige detectie en geavanceerde spectroscopie."