I banbrytande ny forskning, ett internationellt team av forskare under ledning av University of Minnesota Twin Cities har utvecklat en unik process för att producera ett kvanttillstånd som delvis är lätt och delvis materia.

Upptäckten ger grundläggande nya insikter för att mer effektivt utveckla nästa generation av kvantbaserade optiska och elektroniska enheter. Forskningen kan också ha en inverkan på att öka effektiviteten av kemiska reaktioner i nanoskala.

Forskningen är publicerad i Nature Photonics .

Kvantvetenskapen studerar naturfenomen av ljus och materia i de minsta skalorna. I den här studien, forskarna utvecklade en unik process där de uppnådde "ultrastark koppling" mellan infrarött ljus (fotoner) och materia (atomvibrationer) genom att fånga ljus i små, ringformade hål i ett tunt lager av guld. Dessa hål var så små som två nanometer, eller cirka 25, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår.

Dessa nanokaviteter, liknande en mycket nedskalad version av koaxialkablarna som används för att skicka elektriska signaler (som kabeln som kommer in i din TV), fylldes med kiseldioxid, vilket i huvudsak är detsamma som fönsterglas. Unika tillverkningsmetoder, baserad på tekniker utvecklade inom datorchipsindustrin, gör det möjligt att producera miljontals av dessa håligheter samtidigt, med alla samtidigt som uppvisar denna ultrastarka foton-vibrationskoppling.

"Andra har studerat stark koppling av ljus och materia, men med denna nya process för att konstruera en nanometerstor version av koaxialkablar, vi tänjer på gränserna för ultrastark koppling, vilket betyder att vi upptäcker nya kvanttillstånd där materia och ljus kan ha väldigt olika egenskaper och ovanliga saker börjar hända, " sa Sang-Hyun Oh, en professor i el- och datorteknik vid University of Minnesota och seniorförfattaren till studien. "Denna ultrastarka kopplingen av ljus och atomvibrationer öppnar alla möjliga möjligheter för att utveckla nya kvantbaserade enheter eller modifiera kemiska reaktioner."

Samspelet mellan ljus och materia är centralt för livet på jorden – det tillåter växter att omvandla solljus till energi och det låter oss se föremål omkring oss. Infrarött ljus, med våglängder mycket längre än vad vi kan se med våra ögon, interagerar med vibrationer av atomer i material. Till exempel, när ett föremål värms upp, atomerna som utgör föremålet börjar vibrera snabbare, avger mer infraröd strålning, möjliggör värme- eller mörkerseende kameror.

Omvänt, våglängderna för infraröd strålning som absorberas av material beror på vilka typer av atomer som utgör materialen och hur de är ordnade, så att kemister kan använda infraröd absorption som ett "fingeravtryck" för att identifiera olika kemikalier.

Dessa och andra tillämpningar kan förbättras genom att öka hur starkt infrarött ljus interagerar med atomvibrationer i material. Detta, i tur och ordning, kan åstadkommas genom att fånga ljuset i en liten volym som innehåller materialen. Att fånga ljus kan vara så enkelt som att få det att reflektera fram och tillbaka mellan ett par speglar, men mycket starkare interaktioner kan realiseras om metallstrukturer i nanometerskala, eller 'nanokaviteter, ' används för att begränsa ljuset på ultrasmå skalor.

När detta händer, interaktionerna kan vara tillräckligt starka för att ljusets och vibrationernas kvantmekaniska natur kommer in i bilden. Under sådana förhållanden, den absorberade energin överförs fram och tillbaka mellan ljuset (fotoner) i nanokaviteterna och atomvibrationerna (fononer) i materialet i en hastighet som är tillräckligt snabb så att ljusfotonen och materiefononen inte längre kan särskiljas. Under sådana förhållanden, dessa starkt kopplade lägen resulterar i nya kvantmekaniska objekt som delvis är ljus och delvis vibrationer samtidigt, känd som polaritoner.

Ju starkare interaktionen blir, desto främmare de kvantmekaniska effekterna kan uppstå. Om interaktionen blir tillräckligt stark, det kan vara möjligt att skapa fotoner ur vakuumet, eller för att få kemiska reaktioner att fortgå på sätt som annars är omöjliga.

"Det är fascinerande att i denna kopplingsregim, vakuumet är inte tomt. Istället, den innehåller fotoner med våglängder som bestäms av de molekylära vibrationerna. Dessutom, dessa fotoner är extremt begränsade och delas av ett litet antal molekyler, " sa professor Luis Martin-Moreno vid Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) i Spanien, en annan författare till tidningen.

"I vanliga fall, vi tänker på vakuum som i princip ingenting, men det visar sig att denna vakuumfluktuation alltid existerar, " Oh sa. "Detta är ett viktigt steg för att faktiskt utnyttja denna så kallade nollenergifluktuation för att göra något användbart."