In baanbrekend nieuw onderzoek, een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota heeft een uniek proces ontwikkeld voor het produceren van een kwantumtoestand die deels licht en deels materie is.

De ontdekking biedt fundamentele nieuwe inzichten voor een efficiëntere ontwikkeling van de volgende generatie op kwantum gebaseerde optische en elektronische apparaten. Het onderzoek kan ook een impact hebben op het verhogen van de efficiëntie van chemische reacties op nanoschaal.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfotonica .

Kwantumwetenschap bestudeert natuurlijke fenomenen van licht en materie op de kleinste schaal. In dit onderzoek, de onderzoekers ontwikkelden een uniek proces waarin ze een "ultrasterke koppeling" tussen infrarood licht (fotonen) en materie (atomaire trillingen) bereikten door licht op te vangen in kleine, ringvormige gaten in een dun laagje goud. Deze gaten waren zo klein als twee nanometer, of ongeveer 25, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

Deze nanoholtes, vergelijkbaar met een sterk verkleinde versie van de coaxkabels die worden gebruikt om elektrische signalen te verzenden (zoals de kabel die naar uw tv gaat), waren gevuld met siliciumdioxide, wat in wezen hetzelfde is als vensterglas. Unieke fabricagemethoden, gebaseerd op technieken die zijn ontwikkeld in de computerchipindustrie, het mogelijk maken om miljoenen van deze holtes tegelijkertijd te produceren, waarbij ze allemaal tegelijkertijd deze ultrasterke foton-vibratiekoppeling vertonen.

"Anderen hebben een sterke koppeling van licht en materie bestudeerd, maar met dit nieuwe proces om coaxkabels ter grootte van een nanometer te ontwikkelen, we verleggen de grenzen van ultrasterke koppeling, wat betekent dat we nieuwe kwantumtoestanden ontdekken waarin materie en licht heel verschillende eigenschappen kunnen hebben en ongebruikelijke dingen beginnen te gebeuren, " zei Sang-Hyun Oh, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Minnesota en de senior auteur van de studie. "Deze ultrasterke koppeling van licht en atomaire trillingen opent allerlei mogelijkheden voor het ontwikkelen van nieuwe op kwantum gebaseerde apparaten of het wijzigen van chemische reacties."

De interactie tussen licht en materie staat centraal in het leven op aarde - het stelt planten in staat zonlicht om te zetten in energie en het stelt ons in staat om objecten om ons heen te zien. Infrarood licht, met golflengten die veel langer zijn dan wat we met onze ogen kunnen zien, interageert met de trillingen van atomen in materialen. Bijvoorbeeld, wanneer een object wordt verwarmd, de atomen waaruit het object bestaat, beginnen sneller te trillen, meer infraroodstraling afgeven, warmtebeeldcamera's of nachtzichtcamera's mogelijk maken.

Omgekeerd, de golflengten van infraroodstraling die door materialen worden geabsorbeerd, zijn afhankelijk van de soorten atomen waaruit de materialen bestaan ​​en hoe ze zijn gerangschikt, zodat chemici infraroodabsorptie als 'vingerafdruk' kunnen gebruiken om verschillende chemicaliën te identificeren.

Deze en andere toepassingen kunnen worden verbeterd door te vergroten hoe sterk infrarood licht interageert met atomaire trillingen in materialen. Dit, beurtelings, kan worden bereikt door het licht op te vangen in een klein volume dat de materialen bevat. Licht vangen kan zo simpel zijn als het heen en weer laten reflecteren tussen een paar spiegels, maar veel sterkere interacties kunnen worden gerealiseerd als metalen structuren op nanometerschaal, of 'nanoholten, ' worden gebruikt om het licht op ultrakleine lengteschalen te beperken.

Wanneer dit gebeurt, de interacties kunnen sterk genoeg zijn om de kwantummechanische aard van het licht en de trillingen in het spel te brengen. Onder dergelijke omstandigheden, de geabsorbeerde energie wordt zo snel heen en weer getransporteerd tussen het licht (fotonen) in de nanoholtes en de atomaire trillingen (fononen) in het materiaal dat het lichtfoton en de materiefonon niet meer van elkaar te onderscheiden zijn. Onder dergelijke omstandigheden, deze sterk gekoppelde modi resulteren in nieuwe kwantummechanische objecten die tegelijkertijd deels licht en deels trilling zijn, bekend als polaritonen.

Hoe sterker de interactie wordt, hoe vreemder de kwantummechanische effecten die kunnen optreden. Als de interactie sterk genoeg wordt, het kan mogelijk zijn om fotonen te creëren uit het vacuüm, of om chemische reacties te laten verlopen op manieren die anders onmogelijk zijn.

"Het is fascinerend dat in dit koppelingsregime, vacuüm is niet leeg. In plaats daarvan, het bevat fotonen met golflengten die worden bepaald door de moleculaire trillingen. Bovendien, deze fotonen zijn extreem beperkt en worden gedeeld door een miniem aantal moleculen, " zei professor Luis Martin-Moreno van het Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) in Spanje, een andere auteur van het artikel.

"Normaal gesproken, we denken dat vacuüm eigenlijk niets is, maar het blijkt dat deze vacuümfluctuatie altijd bestaat, " Oh zei. "Dit is een belangrijke stap om deze zogenaamde nul-energiefluctuatie daadwerkelijk te benutten om iets nuttigs te doen."