_ Încălcarea limitelor în fotonica cuantică: Noile nanocavități deblochează noi frontiere în limitarea luminii

Într-un salt înainte semnificativ pentru nanofotonica cuantică, o echipă de fizicieni europeni și israelieni a introdus un nou tip de cavități polaritonice și a redefinit limitele izolării luminii. Această lucrare de pionierat, detaliată într-un studiu publicat în Nature Materials, demonstrează o metodă neconvențională de a limita fotonii, depășind limitările tradiționale ale nanofotonicei.

Fizicienii caută de mult timp modalități de a forța fotonii în volume din ce în ce mai mici. Scala de lungime naturală a fotonului este lungimea de undă și atunci când un foton este forțat într-o cavitate mult mai mică decât lungimea de undă, devine efectiv mai „concentrat”. Această concentrație îmbunătățește interacțiunile cu electronii, amplificând procesele cuantice din cavitate.

Cu toate acestea, în ciuda succesului semnificativ în limitarea luminii în volume sublungimi de undă adânci, efectul disipării (absorbția optică) rămâne un obstacol major. Fotonii din nanocavități sunt absorbiți foarte repede, mult mai repede decât lungimea de undă, iar această disipare limitează aplicabilitatea nanocavităților la unele dintre cele mai interesante aplicații cuantice.

Grupul de cercetare al prof. Frank Koppens de la ICFO din Barcelona , Spania, a abordat această provocare prin crearea de nanocavități cu o combinație de neegalat de volum sublungimii de undă și durată de viață extinsă. Aceste nanocavități, cu o suprafață mai mică de 100 x 100 nm² și doar 3 nm subțiri, limitează lumina pentru durate semnificativ mai lungi. Cheia constă în utilizarea polaritonilor-hiperbolici, excitații electromagnetice unice care apar în materialul 2D care formează cavitatea.

Spre deosebire de studiile anterioare despre cavitățile bazate pe fonon-polariton, această lucrare utilizează o izolare nouă și indirectă. mecanism. Nanocavitățile sunt realizate prin forarea unor găuri la scară nanometrică într-un substrat de aur cu precizia extremă (2-3 nanometri) a unui microscop cu fascicul de ioni focalizat pe He. După realizarea găurilor, deasupra acestuia este transferată nitrură de bor hexagonală (hBN), un material 2D.

hBN suportă excitații electromagnetice numite polaritoni de fotoni hiperbolici, care sunt similare cu lumina obișnuită, cu excepția faptului că pot se limitează la volume extrem de mici. Când polaritonii trec deasupra marginii metalului, ei experimentează o reflexie puternică din acesta, ceea ce le permite să fie limitate. Această metodă evită astfel modelarea directă a hBN și își păstrează calitatea originală, permițând fotoni extrem de confinați ȘI cu viață lungă în cavitate.

Această descoperire a început cu o observație întâmplătoare făcută în timpul unui alt proiect în timp ce se folosea un câmp apropiat. microscop optic pentru scanarea structurilor materialelor 2D. Microscopul de câmp apropiat permite polaritonuri excitante și de măsurare în intervalul de infraroșu mijlociu al spectrului, iar cercetătorii au observat o reflectare neobișnuit de puternică a acestor polaritoni de pe marginea metalică. Această observație neașteptată a declanșat o investigație mai profundă, care a condus la realizarea mecanismului unic de izolare și a relației sale cu formarea nanorazelor.

Cu toate acestea, la realizarea și măsurarea cavităților, echipa a avut o surpriză uriașă. „Măsurătorile experimentale sunt de obicei mai proaste decât ar sugera teoria, dar în acest caz, am descoperit că experimentele au depășit predicțiile teoretice simplificate optimiste”, a spus primul autor, dr. Hanan Herzig Sheinfux, de la Departamentul de Fizică al Universității Bar-Ilan. „Acest succes neașteptat deschide porți către noi aplicații și progrese în fotonica cuantică, împingând granițele a ceea ce credeam că este posibil”.

Dr. Herzig Sheinfux a efectuat cercetarea cu Prof. Koppens în timpul mandatului său postdoctoral la ICFO. El intenționează să folosească aceste cavități pentru a vedea efectele cuantice care anterior erau considerate imposibile, precum și pentru a studia în continuare fizica intrigantă și contraintuitivă a comportamentului polaritonului fonon hiperbolic.

(Fluierul)