In Natuurfysica biedt de LSU Quantum Photonics Group nieuwe inzichten in de fundamentele eigenschappen van oppervlakteplasmonen, waardoor het bestaande begrip wordt uitgedaagd. Gebaseerd op experimenteel en theoretisch onderzoek uitgevoerd in het laboratorium van universitair hoofddocent Omar Magaña-Loaiza, markeren deze nieuwe bevindingen een aanzienlijke vooruitgang in de kwantumplasmonica, mogelijk de meest opmerkelijke in het afgelopen decennium.

Hoewel eerder onderzoek op dit gebied zich voornamelijk heeft gericht op het collectieve gedrag van plasmonische systemen, heeft de LSU-groep een aparte aanpak gevolgd. Door plasmonische golven als een puzzel te beschouwen, konden ze subsystemen uit meerdere deeltjes isoleren, of de puzzel in stukjes opsplitsen. Hierdoor kon het team zien hoe verschillende onderdelen samenwerken en werd een ander beeld onthuld, of in dit geval nieuw gedrag voor oppervlakteplasmonen.

Plasmonen zijn golven die langs het oppervlak van metalen bewegen wanneer licht wordt gekoppeld aan ladingsoscillaties. Net zoals het gooien van steentjes in het water rimpelingen veroorzaakt, zijn plasmonen 'rimpelingen' die langs metalen oppervlakken reizen. Deze minieme golven werken op nanometerschaal, waardoor ze van cruciaal belang zijn op gebieden als nanotechnologie en optica.

"Wat we ontdekten is dat als we naar de kwantumsubsystemen van plasmonische golven kijken, we inverse patronen, scherpere patronen en tegengestelde interferentie kunnen zien, wat volledig tegengesteld is aan het klassieke gedrag", legt Riley Dawkins uit, een afgestudeerde student en mede-onderzoeker. eerste auteur van het onderzoek, die het theoretische onderzoek leidde.

Met behulp van licht gericht op een gouden nanostructuur en het observeren van het gedrag van verstrooid licht, observeerde de LSU-kwantumgroep dat oppervlakteplasmonen kenmerken kunnen vertonen van zowel bosonen als fermionen, die fundamentele deeltjes zijn in de kwantumfysica. Dit betekent dat kwantumsubsystemen niet-klassiek gedrag kunnen vertonen, zoals bewegen in verschillende richtingen, afhankelijk van specifieke omstandigheden.

"Stel je voor dat je op een fiets zit. Je zou geloven dat de meeste van je atomen in dezelfde richting bewegen als de fiets. En dat geldt voor de meeste van hen. Maar in feite zijn er enkele atomen die in de tegenovergestelde richting bewegen," legde Magaña-Loaiza uit.

"Een van de gevolgen van deze resultaten is dat door het begrijpen van deze zeer fundamentele eigenschappen van plasmonische golven, en vooral, dit nieuwe gedrag, men gevoeliger en robuustere kwantumtechnologieën kan ontwikkelen."

In 2007 leidde het gebruik van plasmonische golven voor de detectie van miltvuur tot onderzoek naar het gebruik van kwantumprincipes voor verbeterde sensortechnologie.

Momenteel streven onderzoekers ernaar deze principes te integreren in plasmonische systemen om sensoren te creëren met verhoogde gevoeligheid en precisie. Deze vooruitgang is veelbelovend op diverse gebieden, waaronder medische diagnostiek, simulaties van de ontwikkeling van geneesmiddelen, monitoring van het milieu en kwantuminformatiewetenschap.

De studie staat klaar om een ​​aanzienlijke impact te hebben op het gebied van de kwantumplasmonica, omdat onderzoekers over de hele wereld de bevindingen zullen gebruiken voor kwantumsimulaties. Chenglong You, assistent-onderzoeksprofessor en corresponderend auteur, zei:“Onze bevindingen onthullen niet alleen dit interessante nieuwe gedrag in kwantumsystemen, maar het is ook het kwantumplasmonische systeem met het grootste aantal deeltjes ooit, en dat alleen al verheft de kwantumfysica tot een ander niveau."

Afgestudeerde student en co-eerste auteur Mingyuan Hong leidde de experimentele fase van het onderzoek. Ondanks de complexiteit van kwantumplasmonische systemen merkte Hong op dat zijn voornaamste uitdagingen tijdens de experimenten externe verstoringen waren.

‘De trillingen uit verschillende bronnen, zoals de wegenbouw, vormden een aanzienlijke uitdaging vanwege de extreme gevoeligheid van het plasmamonster. Niettemin zijn we er uiteindelijk in geslaagd kwantumeigenschappen uit plasmonische golven te extraheren, een doorbraak die gevoelige kwantumtechnologieën verbetert. openen nieuwe mogelijkheden voor toekomstige kwantumsimulaties."

Het onderzoek, getiteld 'Niet-klassieke Near-Field Dynamics of Surface Plasmons', werd volledig bij LSU uitgevoerd. "Alle auteurs van dit onderzoek zijn verbonden aan LSU Physics &Astronomy. We hebben zelfs een co-auteur die destijds op de middelbare school zat, waar ik erg trots op ben", zegt Magaña-Loaiza. Dit nieuwe onderzoek wordt voorafgegaan door eerder LSU-werk.

Meer informatie: Mingyuan Hong et al., Niet-klassieke nabije velddynamica van oppervlakteplasmonen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02426-y

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Louisiana State University