Natuurkundigen aan de Chalmers University of Technology in Zweden, samen met collega's in Rusland en Polen, hebben bij kamertemperatuur een ultrasterke koppeling tussen licht en materie weten te realiseren. De ontdekking is van belang voor fundamenteel onderzoek en kan de weg vrijmaken voor vooruitgang in lichtbronnen, nanomachines en kwantumtechnologie.

Een set van twee gekoppelde oscillatoren is een van de meest fundamentele en meest gebruikte systemen in de natuurkunde. Het is een zeer algemeen speelgoedmodel dat een overvloed aan systemen beschrijft, waaronder gitaarsnaren, akoestische resonatoren, de fysica van kinderschommels, moleculen en chemische reacties, zwaartekracht gebonden systemen, en kwantumholte-elektrodynamica.

De mate van koppeling tussen de twee oscillatoren is een belangrijke parameter die vooral het gedrag van het gekoppelde systeem bepaalt. Echter, er is niet veel bekend over de bovengrens waaronder twee slingers aan elkaar kunnen koppelen - en welke gevolgen zo'n koppeling kan hebben.

De nieuw gepresenteerde resultaten, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , bieden een kijkje in het domein van de zogenaamde ultrasterke koppeling, waarbij de koppelsterkte vergelijkbaar wordt met de resonantiefrequentie van de oscillatoren. De koppeling in dit werk wordt gerealiseerd door interactie tussen licht en elektronen in een klein systeem dat bestaat uit twee gouden spiegels die op een kleine afstand van elkaar zijn gescheiden en plasmonische gouden nanostaafjes. Op een oppervlak dat honderd keer kleiner is dan het uiteinde van een mensenhaar, de onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om onder omgevingsomstandigheden een controleerbare ultrasterke interactie tussen licht en materie te creëren - dat wil zeggen, bij kamertemperatuur en atmosferische druk.

"We zijn niet de eersten die een ultrasterke koppeling realiseren. Maar over het algemeen sterke magnetische velden, hoog vacuüm en extreem lage temperaturen zijn nodig om een ​​dergelijke koppelingsgraad te bereiken. Als je het in een gewoon laboratorium kunt uitvoeren, het stelt meer onderzoekers in staat om op dit gebied te werken en het levert waardevolle kennis op op het grensgebied tussen nanotechnologie en kwantumoptica, " zegt Denis Baranov, een onderzoeker aan de Chalmers University of Technology en de eerste auteur van het wetenschappelijke artikel.

Een uniek duet waarin licht en materie zich vermengen tot een gemeenschappelijk object

Om het systeem te begrijpen dat de auteurs hebben gerealiseerd, men kan zich een resonator voorstellen, in dit geval vertegenwoordigd door twee gouden spiegels gescheiden door een paar honderd nanometer, als een enkele toon in de muziek. De nanostaafjes die tussen de spiegels zijn gefabriceerd, beïnvloeden hoe licht tussen de spiegels beweegt en veranderen hun resonantiefrequentie. In plaats van alleen maar te klinken als een enkele toon, in het gekoppelde systeem, de toon splitst zich in tweeën:een lagere toonhoogte en een hogere toonhoogte.

De energiescheiding tussen de twee nieuwe velden staat voor de kracht van interactie. specifiek, in de ultrasterke koppelingskoffer, de sterkte van de interactie is zo groot dat het vergelijkbaar wordt met de frequentie van de oorspronkelijke resonator. Dit leidt tot een uniek duet waarin licht en materie zich vermengen tot een gemeenschappelijk object, vormen quasi-deeltjes genaamd polaritonen. Het hybride karakter van polaritonen zorgt voor een reeks intrigerende optische en elektronische eigenschappen.

Het aantal gouden nanostaafjes tussen de spiegels bepaalt hoe sterk de interactie is. Maar op het zelfde moment, het regelt de zogenaamde nulpuntsenergie van het systeem. Door het aantal staven te vergroten of te verkleinen, het is mogelijk om energie toe te voeren of te verwijderen uit de grondtoestand van het systeem en daardoor de energie opgeslagen in de resonatorkast te vergroten of te verkleinen.

De ontdekking stelt onderzoekers in staat om te spelen met de natuurwetten

Opmerkelijk, de auteurs hebben indirect gemeten hoe het aantal nanostaafjes de vacuümenergie verandert door te "luisteren" naar de tonen van het gekoppelde systeem - dat wil zeggen, kijken naar de lichttransmissiespectra door de spiegels met de nanostaafjes - en eenvoudige wiskunde uitvoeren. De resulterende waarden bleken vergelijkbaar te zijn met de thermische energie, die in de toekomst tot waarneembare verschijnselen kunnen leiden.

"Een concept voor het creëren van regelbare ultrasterke koppeling bij kamertemperatuur in relatief eenvoudige systemen kan een testbed bieden voor fundamentele fysica. Het feit dat deze ultrasterke koppeling energie 'kost', zou tot waarneembare effecten kunnen leiden, het zou bijvoorbeeld de reactiviteit van chemicaliën kunnen wijzigen of van der Waals-interacties op maat kunnen maken. Ultrasterke koppeling maakt een verscheidenheid aan intrigerende fysieke fenomenen mogelijk, " zegt Timur Shegai, Universitair hoofddocent bij Chalmers en de laatste auteur van het wetenschappelijke artikel.

Met andere woorden, deze ontdekking stelt onderzoekers in staat om met de natuurwetten te spelen en de grenzen van koppeling te testen.

"Omdat het onderwerp vrij fundamenteel is, mogelijke toepassingen kunnen variëren. Ons systeem maakt het mogelijk om nog sterkere koppelingsniveaus te bereiken, iets dat bekend staat als diepe sterke koppeling. We weten nog steeds niet helemaal zeker wat de limiet van koppeling in ons systeem is, maar het is duidelijk veel hoger dan we nu zien. belangrijk, het platform dat het bestuderen van ultrasterke koppeling mogelijk maakt, is nu toegankelijk op kamertemperatuur, ' zegt Timur Shegai.