Yhdistää valon ja aineen parhaat puolet

Valo on nopeaa, mutta kulkee pitkillä aallonpituuksilla ja on heikosti vuorovaikutuksessa itsensä kanssa. Aineen muodostavat hiukkaset ovat pieniä ja ovat voimakkaassa vuorovaikutuksessa keskenään, mutta liikkuvat hitaasti. Yhdessä nämä kaksi voivat yhdistyä hybridikvasihiukkaseksi, jota kutsutaan polaritoniksi ja joka on osittain valoa, osittain ainetta.

Chem-lehdessä julkaistussa artikkelissa Columbian yliopiston kemistien ryhmä on tunnistanut, kuinka yhdistää aine ja valo saadakseen parhaan molemmista maailmoista: polaritonit, joilla on vahvat vuorovaikutukset ja nopea, aaltomainen virtaus.

Näitä ainutlaatuisia käyttäytymismalleja voidaan käyttää optisten tietokoneiden ja muiden valoon perustuvien kvanttilaitteiden perustana.

Polaritonit muodostuvat, kun valo vuorovaikuttaa voimakkaasti materiaalin kanssa kvanttitasolla. Polaritonit perivät valon pitkän kantaman koherenssin ja kyvyn kuljettaa elektronista energiaa ja olla suorassa vuorovaikutuksessa elektronisten komponenttien kanssa.

Tästä hybridisaatiosta huolimatta molekyylipolaritonit kärsivät suuresta epäjärjestyksestä, joka johtaa nopeaan sirontaan ja vaiheen heikkenemiseen, mikä on merkittävä pullonkaula niiden käyttöönotolle polaritoniteknologioissa.

Professori Milan Delor yhdessä postdoc-tutkija Yongseok Hongin ja tohtoriopiskelija Ding Xun kanssa ovat suunnitelleet ja testailleet materiaaleja etsien parhaita polaritoneja tuottavia ominaisuuksia. Heidän näytteensä vaihtelivat satunnaisesti järjestyneistä molekyyleistä koostuvista kalvoista järjestäytyneempiin molekyylikiteisiin ja erilaisten 2D-materiaalien kiinteisiin hiloihin.

He tunnistivat kolme ohjaavaa sääntöä: Valitulla materiaalilla tulisi olla suuri optinen absorptio, pieni epäjärjestys ja hieman luontaista eksitonin delokalisaatiota.

Erityisesti jälkimmäinen oli unohdettu ominaisuus, joka osoittautui keskeiseksi puuttuvaksi ainesosaksi, sillä vähäinen eksitonien delokalisaatiota suojaa polaritoneja kohinalta. Yhdessä nämä ominaisuudet auttavat säilyttämään polaritonin koherenssin jopa voimakkaiden polaritonisten vuorovaikutusten ja väistämättömän epäjärjestyksen läsnä ollessa.

”Juuri tätä tarvitaan, jotta polaritonit voivat toteuttaa paljon mainostetun kykynsä ’yhdistää valon ja aineen parhaat puolet’”, Delor sanoi ja huomautti, että tasapainon löytäminen on harvinaista. Lupaavia ehdokkaita, jotka täyttävät kaikki kolme kriteeriä, ovat 2D-halogenidiperovskiitit, aurinkopaneeleissa ja ledeissä yhä enemmän käytetyt mineraalit sekä siirtymämetallidikalkogenideinä eli TMD:inä tunnettu 2D-puolijohteiden luokka.

Nykyisessä työssä polaritonien tuottamisesta oppimansa perusteella he aikovat nyt optimoida polaritoneilla tehostettuja epälineaarisia vuorovaikutuksia aaltojohteissa tavoitteenaan käyttää valoa yksittäisten fotonien ominaisuuksien muuttamiseen. Tämä loisi valosta tietokoneportin kvanttiversion – tärkeä askel kohti valoon perustuvien kvanttilaskenta-arkkitehtuurien toteuttamista.

"Optisten vuorovaikutusten parantaminen riittäviksi yksittäisten fotonien epälineaarisuuksien kannalta on valtava haaste, mutta sellainen, joka voisi välittömästi avata lukemattomia sovelluksia kvantti-informaatiossa ja -antureissa", Delor sanoi. "Uskomme, että nämä optimoidut polaritonit ovat erittäin lupaava ja skaalautuva lähestymistapa tämän suuren tieteellisen tavoitteen saavuttamiseksi."

Aiheesta aiemmin:

Valon ja aineen hybriditilat voivat parantaa OLED-kirkkautta

Valo-aine hiukkasten hallinta huoneenlämpötilassa

Uusi paradigma valon ja materiaalien vuorovaikutuksessa