Forskare från Rice University är kända för exceptionell forskning, men ett nytt papper under ledning av fysikern Junichiro Kono gör den poängen mest bokstavligt.

Upptäckten av exceptionella punkter i ett unikt material skapat av Konos laboratorium är en av flera avslöjanden i ett papper som visas i Nature Photonics .

Dessa spektrala singulariteter är centrala för ett annat fenomen, lagets nyfunna förmåga att kontinuerligt stämma övergången mellan den svaga och ultrastarka kopplingen av ljus och materia begränsad i ett vakuum. Den förmågan kan ge forskare möjlighet att utforska nya kvanttekniker som avancerad informationslagring eller endimensionella lasrar.

Kono och hans kollegor har expertis i att korralera fotoner och excitoner (bundna elektronhålspar) i fasta ämnen för att bilda kondenserat material i en kvantbrunn. De rapporterade om sin förmåga att göra det genom att manipulera elektroner med ljus och ett magnetfält 2016. Samma år, de meddelade sin förmåga att göra högt anpassade, skivor av enväggiga kolnanorör.

I det nya arbetet, Kono och Rice postdoktoralforskare och huvudförfattare Weilu Gao kombinerade tekniker från tidigare tidningar och använde polariserat ljus för att utlösa bildandet av kvasipartiklar som kallas polaritoner - starkt kopplat ljus och materia - inuti de endimensionella nanorören i ett hålrum vid rumstemperatur. Eftersom polaritoner bara kan resonera längs de inriktade nanorörens längd, de visas när inkommande ljus polariseras i samma riktning. När den vrids 90 grader, polaritonerna försvinner gradvis.

Polarisationsvinkeln vid vilken polaritoner uppträder och försvinner är känd som den exceptionella punkten, och varken Kono eller Gao ansåg det viktigt förrän en teoretikervän klev in.

"Att upptäcka poängen var viktigt, och överraskande, "Sa Kono." I vår första version av tidningen, vi betonade det inte riktigt. Men medan det granskades, vi visade en teoretiker data och han påpekade, 'Du har den här Dirac-punktliknande funktionen här.' Vi började titta närmare på det, och det var verkligen en exceptionell punkt. "

Dirac -punkter är en egenskap hos grafen; de visas där materialets lednings- och valensband ansluter för att göra det till en perfekt ledare för elektricitet. I halvledarmaterial, den energiska separationen mellan band bestämmer materialets bandgap.

Exceptionella punkter har studerats i andra sammanhang; i de senaste experimenten, forskare visade att ljuset själv kunde bromsas eller stoppas vid just en sådan punkt.

"Många av de onormala egenskaperna hos elektroner i grafen är relaterade till förekomsten av denna speciella punkt, kallade Dirac -punkten, eller energi-nollpunkt, "Sade Kono." Grafens bandstruktur är helt otraditionell jämfört med fasta halvledare som galliumarsenid eller kisel, som har lednings- och valensband som definierar deras bandgap.

"I vårat fall, vi har ett slags bandgap mellan de övre och nedre polaritonerna när polariserat ljus är parallellt med filmerna, men att vända ljuspolarisationen förändrar allt. När du träffar den exceptionella punkten, bandgapet stängs och polaritoner försvinner. "

Kono sa att arbetet också visar att de inriktade nanorören samarbetar med varandra. "Vakuum Rabi -splittringen (ett mått på kopplingsstyrkan mellan fotoner i vakuumet och elektroner i den fasta filmen) ökar när vi ökar antalet nanorör, "sa han." Detta är ett bevis på att nanorören samarbetar samstämmigt när de interagerar med hålighetens fotoner. "

Gao sa att risförsöket föreslog att man kan hitta ett sätt att skapa fotoner - elementära ljuspartiklar - från ett vakuum. Det kan vara viktigt för kvantnivålagring som ett sätt att extrahera data från qubits.

"Det finns teoretiska förslag för att konvertera virtuella fotoner till riktiga fotoner, kallas ibland Casimir -fotoner, "Kono sa." Vi kan ha materia inuti ett hålrum som interagerar med vakuumet, och när vi aktiverar systemet på något sätt förstör vi kopplingen, och plötsligt kommer fotoner ut. Det är ett experiment vi vill göra, för att producera fotoner på begäran från ett vakuum skulle vara häftigt. "