Samspelet mellan ljus och materia omfattar ett fantastiskt spektrum av fenomen, från fotosyntes till de fängslande färgerna på regnbågar och fjärilsvingar. Olika som dessa manifestationer kan vara, de involverar mycket svag ljus-materia-koppling-i huvudsak ljus interagerar med materialsystemet men ändrar inte dess grundläggande egenskaper. En tydligt annorlunda uppsättning fenomen uppstår, dock, för system som är konstgjorda för att maximera ljus-materia-kopplingen. Då kan spännande kvanttillstånd växa fram som varken är ljus eller materia, men en hybrid av de två. Sådana stater är av stort intresse ur en grundläggande synvinkel såväl som för att skapa nya funktioner, till exempel för att möjliggöra interaktioner mellan fotoner. De starkaste kopplingarna hittills har realiserats med halvledarmaterial begränsat till små fotoniska håligheter. I dessa anordningar ökar kopplingen vanligtvis genom att göra hålrummet allt mindre. Men även om tillhörande tillverkningsutmaningar kan hanteras, tillvägagångssättet är på väg att möta grundläggande fysiska gränser, som ett team som leds av professorerna Giacomo Scalari och Jérôme Faist vid Institute of Quantum Electronics -rapporten i en artikel publicerad idag i Nature Photonics . Med detta arbete, de sätter kvantitativa gränser för miniatyrisering av sådana nanofotoniska enheter.

Från styrka till styrka ...

Under de senaste fyra decennierna har olika plattformar har utvecklats för att uppnå stark koppling mellan ljus och materia. Bland dem, en pionjär som experimenterade av Scalari i gruppen Faist sticker ut, i och med att den nästan kontinuerligt sedan 2011 ger en av de starkaste ljusmaterialskopplingarna som realiserats på alla plattformar. Viktigt, under hela tiden att sätta nya rekord, de nådde "ultrasterka" regimen, där ljus-materia-kopplingen är jämförbar med de relevanta energierna i systemet utan koppling, ger tillgång till en mängd nya fenomen.

I hjärtat av deras rekordinställande plattform finns så kallade metalliska resonationsresonatorer (se figuren), där elektromagnetiska fält kan lokaliseras i extremt små volymer, långt under ljusets våglängd - typiskt terahertz (THz) strålning - inblandad. Mikrometerstora luckor i dessa resonatorer är laddade med halvledarkvantbrunnar med lämpliga elektroniska egenskaper, att fungera som materiens system. En naturlig väg för att öka kopplingen mellan excitationer i kvantbrunnarna och ljuset som är begränsat i resonatorn är sedan att minska gapets bredd (d i figuren). Men hur stark en koppling kan konstrueras på detta sätt förblev en öppen fråga.

... men inom gränserna

Shima Rajabali, en doktorsexamen student i gruppen Scalari och Faist, tack vare kvantbrunnar odlade av deras seniorvetare Mattias Beck och en teoristudie av Simone De Liberato och Erika Cortese vid University of Southampton (UK), har nu teoretiskt och experimentellt undersökt om det finns en grundläggande fysisk gräns för subvåglängdsbegränsning i sådana system. Teamet fann att det verkligen finns:Om det elektromagnetiska fältet koncentreras till allt mindre volymer, då börjar någon typ själva ljusstatens hybridtillstånd (i deras fall kallas polaritoner) att förändras. Denna grundläggande förändring av polaritoniska egenskaper förhindrar i sin tur en ytterligare ökning av kopplingsstyrkan.

Denna begränsning är inte ett långt avlägset scenario. I toppmoderna nanofotoniska enheter har signaturer av denna paradigmförändring redan påträffats. Bara att det inte har funnits någon fast förståelse för de bakomliggande orsakerna. Detta gap fylls nu av Rajabali et al. Också, deras nyutvecklade ramverk kan gälla inte bara för de specifika enheter de studerat, men även för andra nano-optiska system, till exempel de baserade på grafen eller övergångsmetalldikalkogenider (TMD), och för andra resonatorgeometrier än split-ring-resonatorer. Som sådan, det nya arbetet bör ge allmänna kvantitativa gränser för koppling av lätt materia.

Går icke-lokalt

För att utforska begränsningarna för att öka ljus-materia-kopplingen genom att minska den subvåglängdsvolym som ljuset är begränsat till, laget utvecklade en teoretisk ram vars prognoser de testade experimentellt och i datorsimuleringar. En viktig upptäckt var att vid de minsta längder som man övervägde-de undersökte enheter med luckor upp till 250 nanometer breda-uppstod icke-lokala effekter. Dessa beror på det faktum att under en kritisk längdskala, som en stor in-planet momentum för bärare tillhandahålls, det tätt begränsade ljusfältet i resonatorn kopplar inte bara till bundna elektroniska tillstånd i kvantbrunnen, men till ett kontinuum av excitationer med hög fart som härrör från en känd tvådimensionell plasmondispersion i kvantbrunnen. Detta öppnar upp nya förlustkanaler, så småningom på ett grundläggande sätt förändras hur ljus och materia interagerar i dessa nanofotoniska enheter.

Rajabali och kollegor visar att denna omvandling till en regim som styrs av polaritonisk icke-lokalitet ger upphov till fenomen som inte kan återges av de klassiska och linjära kvantteorier som normalt används för att modellera samspelet mellan ljus och materia. Med andra ord, vi kan vara säkra på att mycket återstår att utforska på den fascinerande arenan för ljus-materia-interaktion.