Plasmonische nanoantennes behoren momenteel tot de hot topics in de wetenschap vanwege hun vermogen om sterk te interageren met licht, waardoor ze bijvoorbeeld bruikbaar zijn voor verschillende soorten detectie. Maar door hun resonanties te matchen met atomen, moleculen of zogenaamde kwantumdots was tot nu toe moeilijk vanwege de zeer verschillende lengteschalen. Dankzij een subsidie ​​van de Engkvist stichting, Timur Shegai, assistent-professor aan de Chalmers University of Technology, hoopt een manier te vinden om dit te doen en daarmee deuren te openen voor toepassingen zoals veilige communicatiekanalen op afstand.

De diffractielimiet maakt het voor licht erg moeilijk om te interageren met de allerkleinste deeltjes of zogenaamde kwantumsystemen zoals atomen, moleculen of quantum dots. De grootte van zo'n deeltje is simpelweg zoveel kleiner dan de golflengte van licht dat er geen sterke interactie tussen de twee kan zijn. Maar door plasmonische nanoantennes te gebruiken, die kunnen worden beschreven als metalen nanostructuren die in staat zijn om licht zeer sterk te focussen en in golflengten die kleiner zijn dan die van het zichtbare licht, men kan een brug bouwen tussen het licht en het atoom, molecuul of quantum dot en dat is waar Timur Shegai aan werkt.

"Plasmonische nanostructuren zijn zelf kleiner dan golflengten van licht, maar omdat ze veel vrije elektronen hebben, kunnen ze de elektromagnetische energie opslaan in een volume dat eigenlijk een stuk kleiner is dan de diffractielimiet, die helpt om de kloof tussen echt kleine objecten zoals moleculen en de grotere golflengten van licht te overbruggen, " hij zegt.

De harmonische matchen met de onharmonische

Dit klinkt misschien eenvoudig genoeg, maar het probleem met het combineren van de twee is dat ze zich op heel verschillende manieren gedragen. Het gedrag van plasmonische nanostructuren is zeer lineair, net als een harmonische oscillator zal het regelmatig heen en weer bewegen, ongeacht hoeveel energie of met andere woorden hoeveel excitaties erin zijn opgeslagen. Anderzijds, zogenaamde kwantumsystemen zoals atomen, moleculen of kwantumstippen zijn precies het tegenovergestelde - hun optische eigenschappen zijn zeer onharmonisch. Hier maakt het een groot verschil of je het systeem met één of twee of honderden fotonen aanjaagt.

"Stel je nu voor dat je deze onharmonische resonator en een harmonische resonator aan elkaar koppelt, en de mogelijkheid toevoegen om te interageren met licht dat veel sterker is dan het niet-harmonische systeem alleen zou hebben toegestaan. Dat biedt heel interessante mogelijkheden voor quantumtechnologieën en bijvoorbeeld voor niet-lineaire optica. Maar in tegenstelling tot eerdere pogingen die zijn gedaan bij zeer lage temperaturen en in een vacuüm, we doen het op kamertemperatuur."

Communicatiekanalen onmogelijk te hacken

Een mogelijke toepassing waarbij deze technologie in de toekomst nuttig zou kunnen zijn, is het creëren van kanalen voor communicatie over lange afstand die onmogelijk te hacken zijn. Met de huidige technologie is dit soort veilige communicatie alleen mogelijk als de communicerende personen zich binnen een afstand van ongeveer honderd kilometer van elkaar bevinden, want dat is de maximale afstand die een individueel foton in vezels kan afleggen voordat het verstrooit en het signaal verloren gaat.

"Het soort ultrakleine en ultrasnelle technologie dat we willen ontwikkelen, kan nuttig zijn in een zogenaamde kwantumrepeater, een apparaat dat over de lijn van bijvoorbeeld New York naar Londen kan worden geïnstalleerd, dat het foton zou herhalen elke keer dat het op het punt staat te worden verstrooid, ' zegt Timur Shegai.

Op dit moment echter, het zijn de fundamentele aspecten van het samenvoegen van plasmonen met kwantumsystemen die Timur Shegai interesseren. Om experimenteel te kunnen bewijzen dat er interacties kunnen zijn tussen de twee systemen, hij moet allereerst modelsystemen fabriceren op nanoniveau. Dit is een grote uitdaging, maar met de toelage van 1, 6 miljoen SEK over een periode van twee jaar die hij zojuist ontving van de Engkvist-stichting, de kans op succes is verbeterd.

"Omdat ik aan het begin van mijn carrière een onderzoeker ben, is elke persoon een enorme verbetering en nu kan ik een postdoc inhuren om met mijn groep te werken. Dit betekent dat het project in subdelen kan worden verdeeld en samen zullen we in staat zijn om verken meer mogelijkheden over deze nieuwe technologie."