Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben een geheel nieuwe manier van vastleggen ontdekt, het versterken en koppelen van licht aan materie op nanoniveau. Met behulp van een kleine doos, opgebouwd uit gestapeld atomair dun materiaal, ze zijn erin geslaagd een soort feedbackloop te creëren waarin licht en materie één worden. De vondst, die onlangs werd gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , opent nieuwe mogelijkheden in de wereld van nanofotonica.

Fotonica houdt zich bezig met verschillende manieren om licht te gebruiken. Glasvezelcommunicatie is een voorbeeld van fotonica, net als de technologie achter fotodetectoren en zonnecellen. Als de fotonische componenten zo klein zijn dat ze in nanometers worden gemeten, dit wordt nanofotonica genoemd. Om de grenzen te verleggen van wat mogelijk is in dit kleine formaat, vooruitgang in fundamenteel onderzoek is cruciaal. De innovatieve "lichtbak" van de Chalmers-onderzoekers zorgt ervoor dat de afwisselingen tussen licht en materie zo snel plaatsvinden dat het onderscheid tussen de twee toestanden niet meer mogelijk is. Licht en materie worden één.

“We hebben een hybride gecreëerd die bestaat uit gelijke delen licht en materie. Het concept opent volledig nieuwe deuren in zowel fundamenteel onderzoek als toegepaste nanofotonica en daar is veel wetenschappelijke belangstelling voor, " zegt Ruggero Verre, een onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde van Chalmers en een van de auteurs van het wetenschappelijke artikel.

De ontdekking kwam tot stand toen Verre en zijn afdelingscollega's Timur Shegai, Dennis Baranov, Battulga Munkhbat en Mikael Käll combineerden twee verschillende concepten op een innovatieve manier. Het onderzoeksteam van Mikael Käll werkt aan zogenaamde nanoantennes, die het licht op de meest efficiënte manier kan opvangen en versterken. Het team van Timur Shegai doet onderzoek naar een bepaald type atomair dun tweedimensionaal materiaal dat bekend staat als TMDC-materiaal. dat lijkt op grafeen. Door het antenneconcept te combineren met gestapeld tweedimensionaal materiaal ontstonden de nieuwe mogelijkheden.

De onderzoekers gebruikten een bekend TMDC-materiaal - wolfraamdisulfide - maar op een nieuwe manier. Door een kleine resonantiedoos te maken - vergelijkbaar met de klankkast op een gitaar - waren ze in staat om het licht en de materie erin te laten interageren. De klankkast zorgt ervoor dat het licht wordt opgevangen en in een bepaalde "toon" in het materiaal rondkaatst, waardoor de lichtenergie efficiënt kan worden overgedragen naar de elektronen van het TMDC-materiaal en weer terug. Je zou kunnen zeggen dat de lichtenergie oscilleert tussen de twee toestanden - lichtgolven en materie - terwijl het wordt opgevangen en versterkt in de doos. De onderzoekers zijn erin geslaagd licht en materie uiterst efficiënt te combineren in één enkel deeltje met een diameter van slechts 100 nanometer, of 0,00001 centimeter.

Deze alles-in-één oplossing is een onverwachte vooruitgang in fundamenteel onderzoek, maar kan hopelijk ook bijdragen aan compactere en kosteneffectievere oplossingen in toegepaste fotonica.

"We zijn erin geslaagd aan te tonen dat gestapelde atomair dunne materialen nanogestructureerd kunnen worden tot kleine optische resonatoren, wat van groot belang is voor fotonica-toepassingen. Aangezien dit een nieuwe manier is om het materiaal te gebruiken, we noemen dit 'TMDC nanofotonica'. Ik ben er zeker van dat dit onderzoeksveld een mooie toekomst heeft, " zegt Timur Shegai, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde in Chalmers en een van de auteurs van het artikel.