Proceso único desarrollado para producir un «acoplamiento ultrafuerte» entre la luz y la materia

Los orificios anulares en una fina película de oro llena de dióxido de silicio permiten un acoplamiento ultrafuerte entre la luz y las vibraciones atómicas. Esta estructura brinda oportunidades para sondear moléculas que interactúan con las fluctuaciones del vacío cuántico y desarrollar nuevos dispositivos optoelectrónicos. Crédito: Oh Group, Universidad de Minnesota

Discovery proporciona información para desarrollar dispositivos optoelectrónicos e infrarrojos de próxima generación.

En una investigación nueva e innovadora, un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Minnesota Twin Cities ha desarrollado un proceso único para producir un estado cuántico que es en parte luz y en parte materia.

El descubrimiento proporciona nuevos conocimientos fundamentales para desarrollar de manera más eficiente la próxima generación de dispositivos ópticos y electrónicos basados ​​en la tecnología cuántica. La investigación también podría tener un impacto en el aumento de la eficiencia de las reacciones químicas a nanoescala.

La investigación se publica en Fotónica de la naturaleza, una revista científica de alto impacto revisada por pares publicada por Springer Nature Publishing Group.

La ciencia cuántica estudia los fenómenos naturales de la luz y la materia en las escalas más pequeñas. En este estudio, los investigadores desarrollaron un proceso único en el que lograron un «acoplamiento ultrafuerte» entre la luz infrarroja (fotones) y la materia (vibraciones atómicas) al atrapar la luz en pequeños agujeros anulares en una fina capa de oro. Estos agujeros eran tan pequeños como dos nanómetros, o aproximadamente 25.000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano.

Estas nanocavidades, similares a una versión muy reducida de los cables coaxiales que se utilizan para enviar señales eléctricas (como el cable que entra en su televisor), estaban llenas de dióxido de silicio, que es esencialmente lo mismo que el vidrio de una ventana. Los métodos de fabricación únicos, basados ​​en técnicas desarrolladas en la industria de los chips de computadora, hacen posible producir millones de estas cavidades simultáneamente, y todas exhiben simultáneamente este acoplamiento fotón-vibración ultrafuerte.

“Otros han estudiado el fuerte acoplamiento de la luz y la materia, pero con este nuevo proceso para diseñar una versión de cables coaxiales de tamaño nanométrico, estamos empujando las fronteras del acoplamiento ultrafuerte, lo que significa que estamos descubriendo nuevos estados cuánticos donde la materia y la luz pueden tener efectos muy importantes. diferentes propiedades y cosas inusuales comienzan a suceder ”, dijo Sang-Hyun Oh, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. “Este acoplamiento ultrafuerte de luz y vibraciones atómicas abre todo tipo de posibilidades para desarrollar nuevos dispositivos cuánticos o modificar reacciones químicas”.

La interacción entre la luz y la materia es fundamental para la vida en la tierra: permite a las plantas convertir la luz solar en energía y nos permite ver los objetos que nos rodean. La luz infrarroja, con longitudes de onda mucho más largas de lo que podemos ver con nuestros ojos, interactúa con las vibraciones de los átomos en los materiales. Por ejemplo, cuando un objeto se calienta, los átomos que forman el objeto comienzan a vibrar más rápido, emitiendo más radiación infrarroja, lo que permite la obtención de imágenes térmicas o cámaras de visión nocturna.

Por el contrario, las longitudes de onda de la radiación infrarroja que son absorbidas por los materiales dependen de qué tipo de átomos componen los materiales y cómo están dispuestos, de modo que los químicos pueden usar la absorción infrarroja como una «huella digital» para identificar diferentes sustancias químicas.

Estas y otras aplicaciones pueden mejorarse aumentando la intensidad con la que la luz infrarroja interactúa con las vibraciones atómicas de los materiales. Esto, a su vez, se puede lograr atrapando la luz en un pequeño volumen que contiene los materiales. Atrapar la luz puede ser tan simple como hacer que se refleje hacia adelante y hacia atrás entre un par de espejos, pero se pueden lograr interacciones mucho más fuertes si se utilizan estructuras metálicas a escala nanométrica, o «nanocavidades», para confinar la luz en escalas de longitud ultrapequeña. .

Cuando esto sucede, las interacciones pueden ser lo suficientemente fuertes como para que entren en juego la naturaleza mecánica cuántica de la luz y las vibraciones. En tales condiciones, la energía absorbida se transfiere de un lado a otro entre la luz (fotones) en las nanocavidades y las vibraciones atómicas (fonones) en el material a una velocidad lo suficientemente rápida como para que el fotón de luz y el fonón de materia ya no se puedan distinguir. En tales condiciones, estos modos fuertemente acoplados dan como resultado nuevos objetos de mecánica cuántica que son parte luz y parte vibración al mismo tiempo, conocidos como «polaritones».

Cuanto más fuerte se vuelve la interacción, más extraños son los efectos de la mecánica cuántica que pueden ocurrir. Si la interacción se vuelve lo suficientemente fuerte, puede ser posible crear fotones a partir del vacío o hacer que las reacciones químicas se desarrollen de formas que de otro modo serían imposibles.

“Es fascinante que, en este régimen de acoplamiento, el vacío no esté vacío. En cambio, contiene fotones con longitudes de onda determinadas por las vibraciones moleculares. Además, estos fotones están extremadamente confinados y son compartidos por un número diminuto de moléculas ”, dijo el profesor Luis Martín-Moreno del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) en España, otro autor del artículo.

«Normalmente, pensamos en el vacío como básicamente nada, pero resulta que esta fluctuación de vacío siempre existe», dijo Oh. «Este es un paso importante para aprovechar esta denominada fluctuación de energía cero para hacer algo útil».

Referencia: «Plasmón ultrafuerte – acoplamiento de fonones a través de nanocavidades épsilon casi cero» por Daehan Yoo, Fernando de León-Pérez, Matthew Pelton, In-Ho Lee, Daniel A. Mohr, Markus B. Raschke, Joshua D. Caldwell, Luis Martín-Moreno y Sang-Hyun Oh, 7 de diciembre de 2020, Fotónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41566-020-00731-5

Además de Oh y Martin-Moreno, el equipo de investigación incluyó a Daehan Yoo, In-Ho Lee y Daniel A. Mohr, de la Universidad de Minnesota; Fernando de León-Pérez, Centro Universitario de la Defensa de Zaragoza e Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) en España; Matthew Pelton, Universidad de Maryland en el condado de Baltimore; Markus B. Raschke, Universidad de Colorado Boulder; y Joshua D. Caldwell, Universidad de Vanderbilt.

La investigación fue financiada principalmente por la US National Science Foundation y el Samsung Global Research Outreach Program con el apoyo adicional del Ministerio de Economía y Competitividad de España, el Proyecto del Gobierno de Aragón, la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos y la Cátedra Sanford P. Bordeau en Ingeniería Eléctrica. en la Universidad de Minnesota.