Plasmoniska nanoantenner är bland de heta ämnena inom vetenskapen just nu på grund av deras förmåga att interagera starkt med ljus, vilket till exempel gör dem användbara för olika typer av avkänning. Men matchar deras resonanser med atomer, molekyler eller så kallade kvantprickar har varit svåra hittills på grund av de mycket olika längdskalorna som är inblandade. Tack vare ett bidrag från Engkviststiftelsen, Timur Shegai, biträdande professor vid Chalmers tekniska universitet, hoppas kunna hitta ett sätt att göra detta och därigenom öppna dörrar för tillämpningar som säkra långdistanskommunikationskanaler.

Diffraktionsgränsen gör det mycket svårt för ljus att interagera med de allra minsta partiklarna eller så kallade kvantsystem som atomer, molekyler eller kvantprickar. Storleken på en sådan partikel är helt enkelt så mycket mindre än ljusets våglängd att det inte kan finnas en stark interaktion mellan de två. Men genom att använda plasmoniska nanoantenner, som kan beskrivas som metalliska nanostrukturer som kan fokusera ljus mycket starkt och i våglängder som är mindre än de för det synliga ljuset, man kan bygga en bro mellan ljuset och atomen, molekyl eller kvantpunkt och det är vad Timur Shegai arbetar med.

"Plasmoniska nanostrukturer är själva mindre än ljusets våglängder, men eftersom de har många fria elektroner kan de lagra den elektromagnetiska energin i en volym som faktiskt är mycket mindre än diffraktionsgränsen, vilket hjälper till att överbrygga klyftan mellan riktigt små föremål som molekyler och de större ljusets våglängder, " han säger.

Matchar det harmoniska med det o-harmoniska

Detta kanske låter lätt nog, men problemet med att kombinera de två är att de beter sig på väldigt olika sätt. Beteendet hos plasmoniska nanostrukturer är mycket linjärt, som en harmonisk oscillator kommer den regelbundet att röra sig från sida till sida oavsett hur mycket energi eller med andra ord hur många excitationer som är lagrade i den. Å andra sidan, så kallade kvantsystem som atomer, molekyler eller kvantprickar är mycket motsatt-deras optiska egenskaper är mycket o-harmoniska. Här gör det stor skillnad om du exciterar systemet med en eller två eller hundratals fotoner.

"Tänk dig nu att du kopplar ihop denna o-harmoniska resonator och en harmonisk resonator, och lägga till möjligheten att interagera med ljus mycket starkare än det o-harmoniska systemet ensam skulle ha tillåtit. Det öppnar för mycket intressanta möjligheter för kvantteknologier och för icke-linjär optik till exempel. Men i motsats till tidigare försök som har gjorts vid mycket låga temperaturer och i ett vakuum, vi kommer att göra det i rumstemperatur. "

Kommunikationskanaler omöjliga att hacka

En möjlig applikation där denna teknik kan vara användbar i framtiden är att skapa kanaler för fjärrkommunikation som är omöjliga att hacka. Med den nuvarande tekniken är denna typ av säker kommunikation endast möjlig om de personer som kommunicerar är inom ett avstånd av cirka hundra kilometer från varandra, eftersom det är det maximala avståndet som en enskild foton kan köra i fibrer innan den sprids och signalen går förlorad.

"Den typ av ultraliten och supersnabb teknik vi vill utveckla kan vara användbar i en så kallad kvantrepeterare, en enhet som kan installeras tvärs över linjen från till exempel New York till London, som skulle upprepa fotonen varje gång den är på väg att spridas, säger Timur Shegai.

För tillfället dock, det är de grundläggande aspekterna av att slå samman plasmoner med kvantsystem som intresserar Timur Shegai. För att experimentellt kunna bevisa att det kan finnas interaktioner mellan de två systemen, han måste först och främst tillverka modellsystem på nanonivå. Detta är en stor utmaning, men med beviljande av 1, 6 miljoner kronor under en period på två år som han just fått från stiftelsen Engkvist, chanserna att lyckas har förbättrats.

"Eftersom jag är forskare i början av min karriär är varje person en enorm förbättring och nu kan jag anlita en post doc för att arbeta med min grupp. Detta innebär att projektet kan delas upp i deldelar och tillsammans kommer vi att kunna utforska fler möjligheter om denna nya teknik. "