Uusia ovia nanofotoniikan maailmaan

Atomisen ohuista volframidisulfidimateriaaleista kootulla rakenteella Chalmersin tutkijat ovat onnistuneet luomaan sellaisen takaisinkytkentäsilmukan, jossa valo ja materiaali tulevat yhdeksi. 

Ruotsalaisen Chalmersin tutkijat ovat löytäneet täysin uuden tavan, jolla kaapata, vahvistaa ja linkittää valoa aineeseen nanotasolla. Atomisen ohuista materiaalista kootulla materiaalilla, he ovat onnistuneet luomaan sellaisen takaisinkytkentäsilmukan, jossa valo ja materiaali muodostuvat yhdeksi.

Nature Nanotechnology -lehdessä äskettäin julkaistu löytö avaa uusia mahdollisuuksia nanofotoniikan maailmaan.

Chalmersin tutkijoiden innovatiivinen "valorasia" tekee valon ja aineen väliset vaihtelut niin nopeasti, että näiden kahden tilan välillä ei ole enää eroa. Valosta ja aineesta tulee näin yksi ja sama.

”Olemme luoneet hybridin, joka koostuu toisiaan vastaavista osista valoa ja ainetta. Konsepti avaa täysin uusia ovia sekä perustutkimukseen että sovelluksiin nanofotoniikassa.

Löytö syntyi, kun Ruggero Verre ja hänen kollegansa yhdistivät kaksi eri konseptia uudella tavalla. Yhden kollegan tutkimusryhmä työskentelee nanoantennien parissa, jotka voivat kaapata ja vahvistaa valoa tehokkaimmin. Toinen tiimi on tutkinut atomisesti ohutta TMDC-materiaalia ja niistä pinottu kaksiulotteinen materiaalirakenne yhdistettiin antennikonseptiin.

Tutkijat käyttivät volframidisulfidia uudella tavalla. Luomalla pienen resonanssirakenteen, he pystyivät saamaan valon ja aineen vuorovaikuttamaan rakenteen sisällä.

Resonanssirakenne varmistaa, että valo siepataan ja heijastelee tietyllä "sävyllä" materiaalin sisällä, jolloin varmistetaan, että valoenergia voidaan siirtää tehokkaasti TMDC-materiaalista elektroneihin ja takaisin.

Olemme onnistuneet osoittamaan, että pinotut atomisesti ohuet materiaalit voidaan nanotasolla rakentaa pieniksi optisiksi resonaattoreiksi, mikä on erittäin kiinnostava fotonisten sovellusten kannalta, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Valo-aineen vuorovaikutuksen manipulointi avaa ominaisuuksia myös kvantti-informaation tallennukseen ja tietojenkäsittelyyn.

Yhdysvaltalaisen Rensselaerin ammattikorkeakoulun tutkijat ovat puolestaan kerrostaneet WSe2-kerroksen kahden boorinitridihiutaleen väliin ja kun se on vuorovaikutuksessa valon kanssa elektronit ja aukot sitoutuvat vahvasti yhteen ja muodostavat varaukseltaan neutraalin kvasipartikkelin eli eksitonin.

Eksitoni on luultavasti yksi tärkeimmistä käsitteistä valon ja aineen vuorovaikutuksessa. Nyt tutkijat ovat havainneet, että sitä voidaan käyttää kvantti-informaation tallennukseen ja käsittelyyn. Tutkijoiden mukaan yksi WSe2:n eksitonin jännittävistä ominaisuuksista on uusi kvanttivapauden aste, joka tunnetaan nimellä "laakso spin" - laajempi hiukkasten liikkumisvapaus, jota jo tutkaillaan kvanttilaskennan parissa.

Mutta eksitonilla ei yleensä ole pitkää käyttöaikaa, mikä tekee niistä epäkäytännöllisiä. Nyt tutkijat löysivät uuden kvasipartikkelin, jolla on kvanttivapaus ja pitkä elinikä, Tutkijoiden mukaan löydöllä on "kirkkaan" eksitonin kvanttiominaisuus, mutta sillä on myös aiemmin löydetyn "tumman" eksitonin pitkä käyttöikä."

Tiimin havainnot luovat perustan tulevaisuuden kehitykselle kohti seuraavan sukupolven tietojenkäsittelyä ja tallennuslaitteita.

Aiheesta aiemmin:

Kierteisiä elektroneja ja eksitoneja

Valon ja aineen vuorovaikutuksia kaksiulotteisissa