Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een apparaat vervaardigd dat niet breder is dan een mensenhaar en dat natuurkundigen zal helpen de fundamentele aard van materie en licht te onderzoeken. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology , zou ook de ontwikkeling van efficiëntere lasers kunnen ondersteunen, die worden gebruikt op gebieden variërend van geneeskunde tot productie.

Het apparaat is gemaakt van een speciaal soort materiaal dat een fotonische topologische isolator wordt genoemd. Een fotonische topologische isolator kan fotonen, de golfachtige deeltjes waaruit licht bestaat, naar grensvlakken leiden die specifiek in het materiaal zijn ontworpen en tegelijkertijd voorkomen dat deze deeltjes zich door het materiaal zelf verspreiden.

Vanwege deze eigenschap kunnen topologische isolatoren ervoor zorgen dat veel fotonen zich coherent als één foton gedragen. De apparaten kunnen ook worden gebruikt als topologische 'kwantumsimulators', miniatuurlaboratoria waar onderzoekers kwantumverschijnselen kunnen bestuderen, de natuurkundige wetten die materie op zeer kleine schaal beheersen.

"De fotonische topologische isolator die we hebben gemaakt is uniek. Hij werkt bij kamertemperatuur. Dit is een grote vooruitgang. Voorheen kon je dit regime alleen onderzoeken met behulp van grote, dure apparatuur die materie in een vacuüm superkoelt. Veel onderzoekslaboratoria hebben geen toegang aan dit soort apparatuur, zodat ons apparaat meer mensen in staat zou kunnen stellen dit soort fundamenteel natuurkundig onderzoek in het laboratorium uit te voeren", zegt Wei Bao, assistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering bij RPI en senior auteur van het onderzoek.

"Het is ook een veelbelovende stap voorwaarts in de ontwikkeling van lasers die minder energie nodig hebben om te werken, omdat onze apparaatdrempel op kamertemperatuur - de hoeveelheid energie die nodig is om het te laten werken - zeven keer lager is dan eerder ontwikkelde apparaten op lage temperatuur. " Bao voegde toe.

De RPI-onderzoekers creëerden hun nieuwe apparaat met dezelfde technologie die in de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt om microchips te maken, waarbij verschillende soorten materialen worden gelaagd, atoom voor atoom, molecuul voor molecuul, om een ​​gewenste structuur met specifieke eigenschappen te creëren.

Om hun apparaat te maken, groeiden de onderzoekers ultradunne platen van halogenide perovskiet, een kristal gemaakt van cesium, lood en chloor, en etsten er een polymeer bovenop met een patroon. Ze plaatsten deze kristalplaten en het polymeer tussen lagen van verschillende oxidematerialen en vormden uiteindelijk een object van ongeveer 2 micron dik en 100 micron lang en breed (het gemiddelde menselijke haar is 100 micron breed).

Toen de onderzoekers een laserlicht op het apparaat lieten schijnen, verscheen er een gloeiend driehoekig patroon op de interfaces die in het materiaal waren ontworpen. Dit patroon, gedicteerd door het ontwerp van het apparaat, is het resultaat van topologische kenmerken van lasers.

"Het is een opwindend vooruitzicht om kwantumfenomenen bij kamertemperatuur te kunnen bestuderen. Het innovatieve werk van professor Bao laat zien hoe materiaalkunde ons kan helpen een aantal van de grootste vragen van de wetenschap te beantwoorden", zegt Shekhar Garde, decaan van de RPI School of Engineering.

Meer informatie: Topologische vallei Hall-polaritoncondensatie, Natuurnanotechnologie (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01674-6

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Rensselaer Polytechnisch Instituut