Forskare vid Chalmers tekniska universitet, Sverige, har upptäckt ett helt nytt sätt att fånga, förstärka och länka ljus till materia på nanonivå. Med en liten låda, byggd av staplat atomiskt tunt material, de har lyckats skapa en typ av återkopplingsslinga där ljus och materia blir ett. Upptäckten, som nyligen publicerades i Naturnanoteknik , öppnar nya möjligheter i nanofotonikens värld.

Fotonik handlar om olika sätt att använda ljus. Fiberoptisk kommunikation är ett exempel på fotonik, liksom tekniken bakom fotodetektorer och solceller. När de fotoniska komponenterna är så små att de mäts i nanometer, detta kallas nanofotonik. För att flytta gränserna för vad som är möjligt i detta lilla format, framsteg inom grundforskning är avgörande. Chalmersforskarnas innovativa "ljuslåda" gör att alternationerna mellan ljus och materia sker så snabbt att det inte längre är möjligt att skilja mellan de två tillstånden. Ljus och materia blir ett.

"Vi har skapat en hybrid som består av lika delar av ljus och materia. Konceptet öppnar helt nya dörrar i både grundforskning och tillämpad nanofotonik och det finns ett stort vetenskapligt intresse för detta, "säger Ruggero Verre, en forskare vid Institutionen för fysik vid Chalmers och en av författarna till den vetenskapliga artikeln.

Upptäckten kom till när Verre och hans avdelningskollegor Timur Shegai, Denis Baranov, Battulga Munkhbat och Mikael Käll kombinerade två olika koncept på ett innovativt sätt. Mikael Källs forskargrupp arbetar med vad som kallas nanoantenner, som kan fånga upp och förstärka ljus på det mest effektiva sättet. Timur Shegais team forskar om en viss typ av atomtunt tvådimensionellt material som kallas TMDC-material, som liknar grafen. Det var genom att kombinera antennkonceptet med staplat tvådimensionellt material som de nya möjligheterna skapades.

Forskarna använde ett välkänt TMDC-material-volframdisulfid-men på ett nytt sätt. Genom att skapa en liten resonanslåda - ungefär som ljudboxen på en gitarr - kunde de få ljus och materia att interagera inuti den. Resonansboxen säkerställer att ljuset fångas upp och studsar runt i en viss "ton" inuti materialet, På så sätt säkerställs att ljusenergin effektivt kan överföras till elektronerna i TMDC -materialet och tillbaka igen. Man kan säga att ljusenergin pendlar mellan de två tillstånden - ljusvågor och materia - medan den fångas upp och förstärks inuti lådan. Forskarna har lyckats kombinera ljus och materia extremt effektivt i en enda partikel med en diameter på endast 100 nanometer, eller 0,00001 centimeter.

Denna allt-i-ett-lösning är ett oväntat framsteg inom grundforskning, men kan förhoppningsvis också bidra till mer kompakta och kostnadseffektiva lösningar inom tillämpad fotonik.

"Vi har lyckats visa att staplade atomiskt tunna material kan nanostruktureras till små optiska resonatorer, vilket är av stort intresse för fotonikapplikationer. Eftersom detta är ett nytt sätt att använda materialet, vi kallar detta 'TMDC nanofotonik'. Jag är säker på att detta forskningsområde har en ljus framtid, "säger Timur Shegai, docent vid Institutionen för fysik vid Chalmers och en av författarna till artikeln.