Ett nytt tillvägagångssätt för att kontrollera krafter och interaktioner mellan atomer och molekyler, såsom de som används av geckos för att klättra vertikala ytor, kan ge framsteg i nya material för utveckling av kvantljuskällor.

"Atomer och molekyler på nära håll ligger i vår miljö interagerar ständigt, lockar och stöter bort varandra, "sade Zubin Jacob, en biträdande professor i el- och datateknik vid Purdue University. "Sådana interaktioner möjliggör i slutändan ett otal fenomen, som de klibbiga kuddarna på geckofötterna, liksom fotosyntes. "

Vanligtvis, dessa interaktioner uppstår när atomer och molekyler är mellan 1 till 10 nanometer från varandra, eller ungefär 1/10, 000:e bredden på ett människohår.

"Dessa inkluderar Van der Waals krafter som äger rum mellan atomer och molekyler endast när de är mycket nära varandra. Det faktum att de alltid kräver extremt korta separationsavstånd gör dem svåra att kontrollera. Detta utgör ett stort hinder för att utnyttja dem för praktiska tillämpningar, " han sa.

Under korta perioder sägs atomer ha "fluktuerande dipoler" eftersom deras positiva och negativa laddningar momentant separeras. Dipolerna från många atomer och molekyler interagerar ibland med varandra, och dessa dipol-dipol-interaktioner är grunden för Van der Waals och andra krafter mellan de nära åtskilda atomerna och molekylerna.

Forskarna har visat att dessa dipol-dipol-interaktioner är fundamentalt förändrade inuti så kallade tvådimensionella material, såsom hexagonal bornitrid och svart fosfor, material med en tjocklek som endast består av några få atomlager. De har också visat att det är möjligt att uppnå dipol-dipol-interaktionerna även när atomerna och molekylerna är relativt avlägsna, med en separation som närmar sig en mikron, eller 100 gånger längre ifrån varandra då normalt skulle krävas. Detta större avstånd representerar potentialen för praktisk tillämpning av fenomenet för optiska källor.

Resultaten är detaljerade i en artikel publicerad tidigare i år i tidningen Naturkommunikation . Tidningen var författad av doktoranden Cristian L. Cortes och Jacob.

"Vårt främsta mål var att försöka förstå om det är möjligt att kontrollera och manipulera den här typen av interaktioner, "Cortes sa." Det vi fann var att genom noggrant konstruerade materialegenskaper, det är möjligt att avsevärt ändra styrkan och det rumsliga intervallet för dessa interaktioner. Vi fann att så kallade hyperboliska material faktiskt tillåter mycket långdistansinteraktioner till skillnad från något annat konventionellt material. "

Dipol-dipol-interaktioner orsakar också att många fluorescerande atomer och molekyler avger ljus på ett synkroniserat sätt. Vanligtvis, fluorescerande molekyler avger ljus i slumpmässiga och spontana blixtar. Dock, material kan konstrueras för att förmedla interaktioner så att utsläppen blir synkroniserade, blinkar i kor, och öka ljusutmatningen dramatiskt i ett fenomen som kallas superstrålning.

De hyperboliska tvådimensionella materialen är konstruerade för att inducera denna superstrålning mellan fluorescerande kvantemitrar placerade långt ifrån varandra.

"När de interagerar genom dessa material kan de låsas in med varandra som två pendlar som är perfekt synkroniserade, "Sa Jacob.

Materialen sägs vara "starkt interagerande" på grund av den långsiktiga dipol-dipoleffekten.

De "långväga" interaktionerna kan möjliggöra nya typer av ljuskällor som utnyttjar superstrålning. Ett annat utmanande mål är att bygga kvantsimulatorer med hjälp av ett nätverk av interagerande sändare för att efterlikna "Coulomb -interaktioner" eller "snurrinteraktioner" mellan elektroner i ett material.

Även om Naturkommunikation papper fokuserar på teori, forskarna föreslog också flera experimentella metoder för att validera teorin. De utför ett experiment med hyperboliska 2-D-material vid Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park.