В рамках революционного нового исследования международная группа исследователей под руководством Университета Миннесотских городов-побратимов разработала уникальный процесс создания квантового состояния, которое частично состоит из света и частично из материи.
Это открытие дает фундаментальные новые идеи для более эффективной разработки следующего поколения квантовых оптических и электронных устройств. Исследования также могут повлиять на повышение эффективности химических реакций в наномасштабе.
Исследование опубликовано в Nature Photonics.
Квантовая наука изучает естественные явления света и материи в мельчайших масштабах. В этом исследовании исследователи разработали уникальный процесс, в котором они достигли «сверхсильной связи» между инфракрасным светом (фотонами) и веществом (атомными колебаниями), улавливая свет в крошечные кольцевые отверстия в тонком слое золота. Эти отверстия были размером всего два нанометра, что примерно в 25 000 раз меньше ширины человеческого волоса.
Эти нанополости, похожие на сильно уменьшенную версию коаксиальных кабелей, которые используются для передачи электрических сигналов (например, кабель, который входит в ваш телевизор), были заполнены диоксидом кремния, который по сути такой же, как оконное стекло. Уникальные методы изготовления, основанные на технологиях, разработанных в индустрии компьютерных микросхем, позволяют одновременно изготавливать миллионы таких полостей, причем все они одновременно демонстрируют сверхсильную связь фотонов и колебаний.
«Другие изучали сильную связь света и материи, но с помощью этого нового процесса создания версии коаксиальных кабелей нанометрового размера мы раздвигаем границы сверхсильной связи, а это означает, что мы открываем новые квантовые состояния, в которых материя и свет могут иметь очень сильную связь. начинают происходить разные свойства и необычные вещи », — сказал Сан-Хён О, профессор электротехники и компьютерной инженерии Университета Миннесоты и старший автор исследования. «Эта сверхсильная связь света и атомных колебаний открывает всевозможные возможности для разработки новых квантовых устройств или модификации химических реакций».
Взаимодействие между светом и материей занимает центральное место в жизни на Земле — оно позволяет растениям преобразовывать солнечный свет в энергию и позволяет нам видеть окружающие нас объекты. Инфракрасный свет, длина волны которого намного больше, чем то, что мы можем видеть нашими глазами, взаимодействует с колебаниями атомов в материалах. Например, когда объект нагревается, атомы, составляющие объект, начинают вибрировать быстрее, испуская больше инфракрасного излучения, что позволяет создавать тепловизионные камеры или камеры ночного видения.
И наоборот, длины волн инфракрасного излучения, которое поглощается материалами, зависят от того, какие атомы составляют материалы и как они устроены, поэтому химики могут использовать инфракрасное поглощение в качестве «отпечатка пальца» для идентификации различных химических веществ.
Эти и другие приложения можно улучшить, увеличив интенсивность взаимодействия инфракрасного света с колебаниями атомов в материалах. Это, в свою очередь, может быть достигнуто путем захвата света в небольшой объем, содержащий материалы. Захват света может быть таким же простым, как его отражение взад и вперед между парой зеркал, но гораздо более сильные взаимодействия могут быть реализованы, если металлические структуры нанометрового размера или «нанополости» используются для ограничения света на сверхмалых масштабах. .
Когда это происходит, взаимодействия могут быть достаточно сильными, чтобы в игру вступила квантово-механическая природа света и вибраций. В таких условиях поглощенная энергия передается назад и вперед между светом (фотонами) в нанополостях и атомными колебаниями (фононами) в материале с достаточно высокой скоростью, так что световой фотон и фонон вещества больше не могут быть различимы. В таких условиях эти сильно связанные моды приводят к появлению новых квантово-механических объектов, которые являются частично светом и частично вибрацией, известными как «поляритоны».
Чем сильнее становится взаимодействие, тем страннее могут возникнуть квантово-механические эффекты. Если взаимодействие станет достаточно сильным, можно будет создать фотоны из вакуума или заставить протекать химические реакции способами, которые иначе были бы невозможны.
«Удивительно, что в этом режиме связи вакуум не является пустым. Вместо этого он содержит фотоны с длинами волн, определяемыми молекулярными колебаниями. Более того, эти фотоны чрезвычайно ограничены и разделяются небольшим числом молекул», — сказал профессор Луис Мартин-Морено из Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) в Испании, еще один автор статьи.
«Обычно мы думаем о вакууме как о ничто, но оказывается, что колебания вакуума существуют всегда», — сказал О. «Это важный шаг к тому, чтобы использовать так называемые нулевые колебания энергии для чего-то полезного».
Источник истории:
Материалы предоставлены Миннесотским университетом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
