Zhe Fei pekade på de ljusa och mörka vertikala linjerna som löpte över hans datorskärm. Denna nanobild, han förklarade, visar vågorna associerade med ett halvljus, halvmateria kvasipartikel som rör sig inuti en halvledare.

"Det här är vågor precis som vattenvågor, sa Fei, en biträdande professor i fysik och astronomi i Iowa State University och en assistent vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory. "Det är som att tappa en sten på vattenytan och se vågor. Men dessa vågor är exciton-polaritoner."

Exciton-polaritoner är en kombination av ljus och materia. Som alla kvasipartiklar, de är skapade i ett fast ämne och har fysiska egenskaper som energi och momentum. I den här studien, de lanserades genom att lysa en laser på den skarpa spetsen av ett nanobildsystem riktat mot en tunn flinga av molybdendiselenid (MoSe2), en skiktad halvledare som stöder excitoner.

Excitoner kan bildas när ljus absorberas av en halvledare. När excitoner kopplar ihop starkt med fotoner, de skapar exciton-polaritoner.

Det är första gången forskare har gjort bilder i verkliga rymden av exciton-polaritoner. Fei sa att tidigare forskningsprojekt har använt spektroskopiska studier för att registrera exciton-polaritoner som resonanstoppar eller fall i optiska spektra. Fram till de senaste åren, de flesta studier har bara observerat kvasipartiklarna vid extremt kalla temperaturer - ner till cirka -450 grader Fahrenheit.

Men Fei och hans forskargrupp arbetade i rumstemperatur med det skanande optiska närfältsmikroskopet i hans campuslabb för att ta nanooptiska bilder av kvasipartiklarna.

"Vi är de första som visar en bild av dessa kvasipartiklar och hur de fortplantar sig, störa och avge, " sa Fei.

Forskarna, till exempel, mätte en utbredningslängd på mer än 12 mikron - 12 miljondelar av en meter - för exciton-polaritonerna vid rumstemperatur.

Fei sa att skapandet av exciton-polaritoner vid rumstemperatur och deras utbredningsegenskaper är viktiga för att utveckla framtida tillämpningar för kvasipartiklarna. En dag kunde de till och med användas för att bygga nanofotoniska kretsar för att ersätta elektroniska kretsar för energi- eller informationsöverföring i nanoskala.

Fei sa att nanofotoniska kretsar med sin stora bandbredd kan vara upp till 1 miljon gånger snabbare än nuvarande elektriska kretsar.

En forskargrupp ledd av Fei rapporterade nyligen sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Nature Photonics . Tidningens första författare är Fengrui Hu, en postdoktoral forskarassistent i Iowa State i fysik och astronomi. Ytterligare medförfattare är Yilong Luan, en doktorand i Iowa State i fysik och astronomi; Marie Scott, en nyligen utexaminerad student vid University of Washington; Jiaqiang Yan och David Mandrus från Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee; och Xiaodong Xu från University of Washington.

Forskarnas arbete stöddes av medel från Iowa State och Ames Laboratory för att lansera Feis forskningsprogram. W.M. Keck Foundation i Los Angeles stödde också delvis den nanooptiska avbildningen för projektet.

Forskarna lärde sig också att genom att ändra tjockleken på MoSe2-halvledaren, de kunde manipulera egenskaperna hos exciton-polaritonerna.

Fei, som har studerat kvasipartiklar i grafen och andra 2D-material sedan sin forskarutbildningstid vid University of California San Diego, sade att hans tidigare arbete öppnade dörrarna för studier av exciton-polaritoner.

"Vi måste utforska fysiken kring exciton-polaritoner och hur dessa kvasipartiklar kan manipuleras, " han sa.

Det kan leda till nya enheter som polaritontransistorer, sa Fei. Och det kan en dag leda till genombrott inom fotonik- och kvantteknik.