Rice University-wetenschappers staan ​​bekend om uitzonderlijk onderzoek, maar een nieuw artikel onder leiding van natuurkundige Junichiro Kono maakt dat punt het meest letterlijk.

De ontdekking van uitzonderlijke punten in een uniek materiaal gemaakt door Kono's lab is een van de vele onthullingen in een artikel dat verschijnt in Natuurfotonica .

Deze spectrale singulariteiten staan ​​centraal in een ander fenomeen, het nieuwe vermogen van het team om continu de overgang af te stemmen tussen de zwakke en ultrasterke koppeling van licht en materie opgesloten in een vacuüm. Dat vermogen kan onderzoekers de mogelijkheid bieden om nieuwe kwantumtechnologieën te verkennen, zoals geavanceerde informatieopslag of eendimensionale lasers.

Kono en zijn collega's hebben expertise in het bijeendrijven van fotonen en excitonen (gebonden elektron-gatparen) in vaste stoffen om gecondenseerde materie in een kwantumput te vormen. Ze rapporteerden over hun vermogen om dit te doen door elektronen te manipuleren met licht en een magnetisch veld in 2016. In hetzelfde jaar, ze kondigden aan dat ze in staat zijn om zeer op elkaar afgestemde, flinterdunne films van enkelwandige koolstofnanobuisjes.

In het nieuwe werk De postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur Weilu Gao van Kono en Rice combineerde technieken uit de eerdere artikelen en gebruikte gepolariseerd licht om de vorming van quasideeltjes die bekend staan ​​als polaritons - sterk gekoppeld licht en materie - in de eendimensionale nanobuisjes in een holte bij kamertemperatuur op gang te brengen. Omdat polaritonen alleen kunnen resoneren langs de lengte van de uitgelijnde nanobuisjes, ze verschijnen wanneer binnenkomend licht in dezelfde richting wordt gepolariseerd. Wanneer 90 graden gedraaid, de polaritonen verdwijnen geleidelijk.

De polarisatiehoek waaronder polaritonen verschijnen en verdwijnen staat bekend als het uitzonderlijke punt, en Kono noch Gao vonden het belangrijk totdat een bevriende theoreticus tussenbeide kwam.

"Het ontdekken van het punt was belangrijk, en verrassend, "Zei Kono. "In onze eerste versie van de krant, we hebben er niet echt de nadruk op gelegd. Maar terwijl het in behandeling was, we lieten een theoreticus de gegevens zien en hij wees erop, 'Je hebt hier een Dirac-puntachtige functie.' We zijn er zorgvuldiger naar gaan kijken, en inderdaad was er een uitzonderlijk punt."

Dirac-punten zijn een kenmerk van grafeen; ze verschijnen waar de geleidings- en valentiebanden van het materiaal aansluiten om het een perfecte geleider van elektriciteit te maken. In halfgeleidermaterialen, de energetische scheiding tussen banden bepaalt de band gap van het materiaal.

Uitzonderlijke punten zijn in andere contexten bestudeerd; bij recente experimenten, wetenschappers toonden aan dat het licht zelf op zo'n punt kan worden vertraagd of gestopt.

"Veel van de afwijkende eigenschappen van elektronen in grafeen zijn gerelateerd aan het bestaan ​​van dit speciale punt, het Dirac-punt genoemd, of energie-nulpunt, Kono zei. "De bandstructuur van grafeen is volledig onconventioneel vergeleken met vaste halfgeleiders zoals galliumarsenide of silicium, die geleidings- en valentiebanden hebben die hun bandafstand bepalen.

"In ons geval, we hebben een soort bandgap tussen de bovenste en onderste polaritonen wanneer gepolariseerd licht evenwijdig is aan de films, maar het veranderen van de lichtpolarisatie verandert alles. Wanneer je het uitzonderlijke punt bereikt, de band gap sluit zich en polaritons verdwijnen."

Kono zei dat het werk ook aantoont dat de uitgelijnde nanobuisjes met elkaar samenwerken. "De vacuüm Rabi-splitsing (een maat voor de koppelingssterkte tussen fotonen in het vacuüm en elektronen in de vaste film) neemt toe naarmate we het aantal nanobuisjes vergroten, " zei hij. "Dit is het bewijs dat de nanobuisjes coherent samenwerken als ze interageren met de holtefotonen."

Gao zei dat het Rice-experiment suggereerde dat er een manier zou kunnen worden gevonden om fotonen - elementaire lichtdeeltjes - uit een vacuüm te creëren. Dat kan belangrijk zijn voor opslag op kwantumniveau als een manier om gegevens uit qubits te extraheren.

"Er zijn theoretische voorstellen om virtuele fotonen om te zetten in echte fotonen, soms Casimir-fotonen genoemd, "Zei Kono. "We kunnen materie in een holte hebben die in wisselwerking staat met het vacuüm, en als we het systeem op de een of andere manier activeren, vernietigen we de koppeling, en plotseling komen er fotonen uit. Dat is een experiment dat we willen doen, omdat het cool zou zijn om on-demand fotonen te produceren vanuit een vacuüm."