Onderzoekers van de Nationale Universiteit van Singapore en hun medewerkers hebben een nieuw concept onthuld, genaamd 'superkritische koppeling', dat een meervoudige toename van de opconversie-efficiëntie van fotonen mogelijk maakt. Deze ontdekking daagt niet alleen bestaande paradigma's uit, maar opent ook een nieuwe richting in de controle van lichtemissie.

Opconversie van fotonen, het proces waarbij laagenergetische fotonen worden omgezet in fotonen met hogere energie, is een cruciale techniek met brede toepassingen, variërend van beeldvorming met superresolutie tot geavanceerde fotonische apparaten. Ondanks aanzienlijke vooruitgang is de zoektocht naar efficiënte opconversie van fotonen met uitdagingen geconfronteerd als gevolg van inherente beperkingen in de bestraling van met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes en de kritische koppelingsomstandigheden van optische resonanties.

Het concept van ‘superkritische koppeling’ speelt een cruciale rol bij het aanpakken van deze uitdagingen. Deze fundamenteel nieuwe aanpak, voorgesteld door een onderzoeksteam onder leiding van professor Liu Xiaogang van het departement scheikunde, NUS en zijn medewerker, Dr. Gianluigi Zito van de Nationale Onderzoeksraad van Italië, maakt gebruik van de fysica van "gebonden toestanden in het continuüm" ( BIC's).

BIC's zijn fenomenen die het mogelijk maken dat licht wordt opgesloten in open structuren met een theoretisch oneindige levensduur, waardoor de grenzen van kritische koppeling worden overschreden. Deze verschijnselen verschillen van het gebruikelijke gedrag van licht.

Door de interactie tussen donkere en heldere modi binnen deze structuren te manipuleren, vergelijkbaar met de klassieke analoog van elektromagnetisch geïnduceerde transparantie, verbeterden de onderzoekers niet alleen het lokale optische veld, maar controleerden ze ook nauwkeurig de richting van de lichtemissie.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

De experimentele validatie van superkritische koppeling markeert een aanzienlijke sprong voorwaarts en demonstreert een toename van acht ordes van grootte in de opwaartse conversieluminescentie. De experimentele opstelling omvat een nanoplaat van fotonisch kristal bedekt met opconversie-nanodeeltjes. Deze nanodeeltjes dienen als microschaalbronnen en lasers.

De unieke eigenschappen van BIC's, gekenmerkt door een verwaarloosbare lichtverspreiding en microschaalafmetingen van de lichtvlekken, werden benut om precisie te bereiken bij het scherpstellen en de richtingscontrole van het uitgestraalde licht. Dit opent nieuwe wegen voor het controleren van de toestand van het licht.

Professor Liu zei:"Deze doorbraak is niet alleen een fundamentele ontdekking, maar vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving op het gebied van nanofotonica, waardoor ons begrip van lichtmanipulatie op nanoschaal verandert. De implicaties van superkritische koppeling reiken verder dan de opconversie van fotonen en bieden potentiële vooruitgang op het gebied van de kwantummechanica." fotonica en verschillende systemen gebaseerd op gekoppelde resonatoren."

"Terwijl de onderzoeksgemeenschap worstelt met de implicaties van dit werk, staat de deur open naar een toekomst waarin licht, een van de meest fundamentele elementen van ons universum, met ongeëvenaarde precisie en efficiëntie kan worden gecontroleerd", aldus prof. Liu.

Meer informatie: Chiara Schiattarella et al, Directieve gigantische opconversie door superkritische gebonden staten in het continuüm, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06967-9

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door de Nationale Universiteit van Singapore