I Naturfysik , erbjuder LSU Quantum Photonics Group färska insikter i de grundläggande egenskaperna hos ytplasmoner, vilket utmanar den befintliga förståelsen. Baserat på experimentella och teoretiska undersökningar utförda i docent Omar Magaña-Loaizas laboratorium, markerar dessa nya fynd ett betydande framsteg inom kvantplasmonik, möjligen det mest anmärkningsvärda under det senaste decenniet.
Medan tidigare forskning inom området huvudsakligen har fokuserat på de kollektiva beteendena hos plasmoniska system, antog LSU-gruppen ett distinkt tillvägagångssätt. Genom att se plasmoniska vågor som ett pussel kunde de isolera multipartikelsubsystem eller bryta ner pusslet i bitar. Detta gjorde det möjligt för teamet att se hur olika delar fungerar tillsammans och avslöjade en annan bild, eller i det här fallet, nya beteenden för ytplasmoner.
Plasmoner är vågor som rör sig längs ytan av metaller när ljus kopplas till laddningssvängningar. Ungefär som att kasta småsten i vatten genererar krusningar, plasmoner är "krusningar" som färdas längs metallytor. Dessa små vågor fungerar på en nanometerskala, vilket gör dem avgörande inom områden som nanoteknik och optik.
"Vad vi fann är att om vi tittar på kvantundersystemen av plasmoniska vågor, kan vi se omvända mönster, skarpare mönster och motsatt interferens, vilket är helt motsatt det klassiska beteendet," förklarade Riley Dawkins, en doktorand och med- studiens första författare, som ledde den teoretiska undersökningen.
Med hjälp av ljus riktat mot en guldnanostruktur och observerade beteendet hos spritt ljus, observerade LSU-kvantgruppen att ytplasmoner kan uppvisa egenskaper hos både bosoner och fermioner, som är grundläggande partiklar i kvantfysik. Detta innebär att kvantundersystem kan uppvisa icke-klassiska beteenden, som att röra sig i olika riktningar, beroende på specifika förhållanden.
"Föreställ dig att du cyklar. Du skulle tro att de flesta av dina atomer rör sig i samma riktning som cykeln. Och det är sant för de flesta av dem. Men i själva verket finns det några atomer som rör sig i motsatt riktning." förklarade Magaña-Loaiza.
"En av konsekvenserna av dessa resultat är att genom att förstå dessa mycket grundläggande egenskaper hos plasmoniska vågor, och viktigast av allt, detta nya beteende, kan man utveckla mer känsliga och robusta kvantteknologier."
2007 utlöste användningen av plasmoniska vågor för detektion av mjältbrand forskning om att använda kvantprinciper för förbättrad sensorteknologi.
För närvarande strävar forskare efter att integrera dessa principer i plasmoniska system för att skapa sensorer med ökad känslighet och precision. Detta framsteg har betydande löften inom olika områden, inklusive medicinsk diagnostik, simuleringar av läkemedelsutveckling, miljöövervakning och kvantinformationsvetenskap.
Studien är redo att göra en betydande inverkan på området kvantplasmonik, eftersom forskare över hela världen kommer att utnyttja resultaten för kvantsimuleringar. Chenglong You, biträdande forskningsprofessor och motsvarande författare, sa:"Våra fynd avslöjar inte bara detta intressanta nya beteende i kvantsystem, utan det är också det kvantplasmoniska systemet med det största antalet partiklar någonsin, och bara det lyfter kvantfysiken till en annan nivå."
Doktorand och medförfattare Mingyuan Hong ledde den experimentella fasen av studien. Trots komplexiteten hos kvantplasmoniksystem noterade Hong att hans främsta utmaningar under experimenten var yttre störningar.
"Vibrationerna från olika källor, såsom vägbyggen, utgjorde en betydande utmaning på grund av den extrema känsligheten hos plasmaprovet. Ändå lyckades vi så småningom extrahera kvantegenskaper från plasmoniska vågor, ett genombrott som förbättrar känslig kvantteknologi. Denna prestation kunde öppna upp för nya möjligheter för framtida kvantsimuleringar."
Med titeln "Nonclassical Near-Field Dynamics of Surface Plasmons," forskningen utfördes helt vid LSU. "Alla författarna till den här studien är knutna till LSU Fysik &Astronomi. Vi har till och med en medförfattare som var gymnasieelev vid den tiden, vilket jag är mycket stolt över", säger Magaña-Loaiza. Denna nya forskning föregås av tidigare LSU-arbete.
Mer information: Mingyuan Hong et al, Nonclassical near-field dynamics of ytplasmoner, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02426-y
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Louisiana State University
