Fysiker vid Chalmers tekniska högskola i Sverige, tillsammans med kollegor i Ryssland och Polen, har lyckats uppnå ultrastark koppling mellan ljus och materia vid rumstemperatur. Upptäckten är av betydelse för grundforskning och kan bana väg för framsteg inom ljuskällor, nanomaskineri och kvantteknik.

En uppsättning med två kopplade oscillatorer är ett av de mest grundläggande och mest använda systemen inom fysik. Det är en mycket allmän leksaksmodell som beskriver en uppsjö av system inklusive gitarrsträngar, akustiska resonatorer, fysiken för barns gungor, molekyler och kemiska reaktioner, gravitationsbundna system, och kvantkavitetselektrodynamik.

Graden av koppling mellan de två oscillatorerna är en viktig parameter som mestadels bestämmer beteendet hos det kopplade systemet. Dock, inte mycket är känt om den övre gränsen för vilken två pendlar kan kopplas till varandra - och vilka konsekvenser en sådan koppling kan få.

De nyligen presenterade resultaten, publiceras i Naturkommunikation , ge en inblick i området för den så kallade ultrastarka kopplingen, varvid kopplingsstyrkan blir jämförbar med resonansfrekvensen hos oscillatorerna. Kopplingen i detta arbete realiseras genom interaktion mellan ljus och elektroner i ett litet system som består av två guldspeglar åtskilda av ett litet avstånd och plasmoniska guldnanoroder. På en yta som är hundra gånger mindre än änden av ett människohår, forskarna har visat att det är möjligt att skapa kontrollerbar ultrastark interaktion mellan ljus och materia vid omgivningsförhållanden – det vill säga, vid rumstemperatur och atmosfärstryck.

"Vi är inte de första som inser ultra-stark koppling. Men i allmänhet, starka magnetfält, högt vakuum och extremt låga temperaturer krävs för att uppnå en sådan grad av koppling. När du kan utföra det i ett vanligt labb, det gör det möjligt för fler forskare att arbeta inom detta område och det ger värdefull kunskap i gränslandet mellan nanoteknik och kvantoptik, säger Denis Baranov, en forskare vid Chalmers tekniska universitet och den första författaren till den vetenskapliga uppsatsen.

En unik duett där ljus och materia blandas till ett gemensamt föremål

För att förstå systemet som författarna har insett, man kan tänka sig en resonator, i detta fall representerade av två guldspeglar åtskilda av några hundra nanometer, som en enda ton i musik. Nanoroderna som tillverkas mellan speglarna påverkar hur ljuset rör sig mellan speglarna och ändrar deras resonansfrekvens. Istället för att bara låta som en enda ton, i det kopplade systemet, tonen delar sig i två:en lägre tonhöjd och en högre tonhöjd.

Energiseparationen mellan de två nya tonhöjderna representerar styrkan i interaktionen. Specifikt, i det ultrastarka kopplingshöljet, växelverkans styrka är så stor att den blir jämförbar med den ursprungliga resonatorns frekvens. Detta leder till en unik duett där ljus och materia blandas till ett gemensamt föremål, bildar kvasipartiklar som kallas polaritoner. Hybridkaraktären hos polaritoner ger en uppsättning spännande optiska och elektroniska egenskaper.

Antalet guld nanorods inklämda mellan speglarna styr hur stark interaktionen är. Men samtidigt, den styr den så kallade nollpunktsenergin i systemet. Genom att öka eller minska antalet stavar, det är möjligt att tillföra eller ta bort energi från systemets marktillstånd och därigenom öka eller minska energin som lagras i resonatorlådan.

Upptäckten gör det möjligt för forskare att leka med naturlagarna

I synnerhet, författarna mätte indirekt hur antalet nanorods förändrar vakuumenergin genom att "lyssna" på tonerna i det kopplade systemet – det vill säga, tittar på ljustransmissionsspektra genom speglarna med nanoroderna – och utför enkel matematik. De resulterande värdena visade sig vara jämförbara med den termiska energin, vilket kan leda till observerbara fenomen i framtiden.

"Ett koncept för att skapa kontrollerbar ultrastark koppling vid rumstemperatur i relativt enkla system kan erbjuda en testbädd för fundamental fysik. Det faktum att denna ultrastarka koppling "kostar" energi skulle kunna leda till observerbara effekter, till exempel kan det modifiera kemikaliers reaktivitet eller skräddarsy van der Waals-interaktioner. Ultrastark koppling möjliggör en mängd spännande fysiska fenomen, " säger Timur Shegai, Docent på Chalmers och sista författare till den vetenskapliga artikeln.

Med andra ord, denna upptäckt gör det möjligt för forskare att leka med naturlagarna och testa gränserna för koppling.

"Eftersom ämnet är ganska grundläggande, potentiella tillämpningar kan variera. Vårt system gör det möjligt att nå ännu starkare nivåer av koppling, något som kallas djup stark koppling. Vi är fortfarande inte helt säkra på vad gränsen för koppling i vårt system är, men det är klart mycket högre än vi ser nu. Viktigt, plattformen som gör det möjligt att studera ultrastark koppling är nu tillgänglig vid rumstemperatur, säger Timur Shegai.