De wisselwerking tussen licht en materie omvat een verbluffend spectrum van fenomenen, van fotosynthese tot de betoverende kleuren van regenbogen en vlindervleugels. Hoe divers deze manifestaties ook zijn, ze omvatten een zeer zwakke koppeling van licht en materie - in wezen, licht interageert met het materiële systeem, maar verandert de basiseigenschappen niet. Er doet zich een duidelijk verschillende reeks verschijnselen voor, echter, voor systemen die kunstmatig zijn ontworpen om de koppeling tussen licht en materie te maximaliseren. Dan kunnen intrigerende kwantumtoestanden ontstaan ​​die noch licht noch materie zijn, maar een hybride van de twee. Dergelijke toestanden zijn van groot belang vanuit een fundamenteel oogpunt en voor het creëren van nieuwe functionaliteiten, bijvoorbeeld om interacties tussen fotonen mogelijk te maken. De sterkste koppelingen tot nu toe zijn gerealiseerd met halfgeleidermaterialen die zijn beperkt tot kleine fotonische holtes. In deze inrichtingen wordt de koppeling typisch vergroot door de holte steeds kleiner te maken. Maar zelfs als de bijbehorende fabricage-uitdagingen kunnen worden aangepakt, de aanpak staat op het punt fundamentele fysieke grenzen te ontmoeten, als een team onder leiding van professoren Giacomo Scalari en Jérôme Faist van het Institute of Quantum Electronics rapporteren in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfotonica . Met dit werk, ze stellen kwantitatieve grenzen aan de miniaturisatie van dergelijke nanofotonische apparaten.

Van kracht tot kracht …

In de afgelopen vier decennia is er zijn verschillende platforms ontwikkeld om een ​​sterke koppeling tussen licht en materie te realiseren. Onder hen, een experimenteel gepionierd door Scalari in de Faist-groep valt op, in die zin dat het sinds 2011 bijna continu een van de sterkste licht-materiekoppelingen biedt die op alle platforms zijn gerealiseerd. belangrijk, in de loop van het vestigen van steeds nieuwe records, ze bereikten het "ultrasterke" regime, waarbij de licht-materie koppeling vergelijkbaar is met de relevante energieën van het ontkoppelde materie systeem, toegang geven tot een schat aan nieuwe fenomenen.

In het hart van hun record-setting platform zijn zogenaamde metalen split-ring resonatoren (zie de afbeelding), waarin elektromagnetische velden in extreem kleine volumes kunnen worden gelokaliseerd, ruim onder de golflengte van het betrokken licht - typisch terahertz (THz) -straling. De openingen ter grootte van een micrometer van deze resonatoren zijn geladen met halfgeleiderkwantumbronnen met geschikte elektronische eigenschappen, om als materiesysteem te dienen. Een natuurlijke manier om de koppeling tussen excitaties in de kwantumputten en het in de resonator opgesloten licht te vergroten, is dan om de breedte van de opening te verkleinen (d in de figuur). Maar hoe sterk een koppeling op deze manier kan worden ontworpen, bleef een open vraag.

… maar binnen de perken

Shima Rajabali, een doctoraat student in de groep van Scalari en Faist, dankzij kwantumputten die zijn gekweekt door hun senior wetenschapper Mattias Beck en een theoriestudie door Simone De Liberato en Erika Cortese aan de Universiteit van Southampton (VK), hebben nu theoretisch en experimenteel onderzocht of er een fundamentele fysieke limiet is voor subgolflengte-opsluiting in dergelijke systemen. Het team ontdekte dat er inderdaad:als het elektromagnetische veld wordt geconcentreerd in steeds kleinere volumes, dan begint op een gegeven moment de aard van de hybride toestanden van licht-materie (in hun geval staan ​​deze bekend als polaritonen) te veranderen. Deze fundamentele verandering in polaritonische kenmerken verhindert op zijn beurt een verdere toename van de koppelingssterkte.

Deze beperking is geen verre scenario. In ultramoderne nanofotonische apparaten zijn al handtekeningen van deze paradigmaverandering aangetroffen. Alleen dat er geen goed begrip is van de onderliggende redenen. Deze leemte wordt nu opgevuld door Rajabali et al. Ook, hun nieuw ontwikkelde raamwerk is mogelijk niet alleen van toepassing op de specifieke apparaten die ze hebben bestudeerd, maar ook voor andere nano-optische systemen, bijvoorbeeld die op basis van grafeen of overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), en voor andere resonatorgeometrieën dan gespleten ringresonatoren. Als zodanig, het nieuwe werk zou algemene kwantitatieve grenzen moeten stellen aan de koppeling van licht en materie.

Niet-lokaal gaan

Om de beperkingen te onderzoeken voor het vergroten van de koppeling van licht en materie door het subgolflengtevolume waartoe het licht wordt beperkt te verminderen, het team ontwikkelde een theoretisch kader waarvan ze de voorspellingen experimenteel en in computersimulaties testten. Een belangrijke bevinding was dat op de kleinste lengteschalen die werden overwogen - ze onderzochten apparaten met openingen tot 250 nanometer breed - niet-lokale effecten naar voren kwamen. Deze zijn te wijten aan het feit dat onder een kritische lengteschaal, aangezien een groot momentum in het vlak voor dragers wordt verschaft, het strak begrensde lichtveld in de resonator koppelt niet alleen aan gebonden elektronische toestanden van de kwantumbron, maar naar een continuüm van excitaties met een hoog momentum die afkomstig zijn van een bekende tweedimensionale plasmondispersie in de kwantumput. Dit opent nieuwe verlieskanalen, uiteindelijk op een fundamentele manier veranderen hoe licht en materie op elkaar inwerken in deze nanofotonische apparaten.

Rajabali en collega's laten zien dat deze transformatie naar een regime dat wordt geregeerd door polaritonische niet-lokaliteit, aanleiding geeft tot verschijnselen die niet kunnen worden gereproduceerd door de klassieke en lineaire kwantumtheorieën die normaal worden gebruikt om de wisselwerking tussen licht en materie te modelleren. Met andere woorden, we kunnen er zeker van zijn dat er nog veel te ontdekken valt in de fascinerende arena van interactie tussen licht en materie.