Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har tillverkat en enhet som inte är bredare än ett människohår som hjälper fysiker att undersöka den grundläggande naturen hos materia och ljus. Deras resultat, publicerade i tidskriften Nature Nanotechnology , skulle också kunna stödja utvecklingen av mer effektiva lasrar, som används inom områden som sträcker sig från medicin till tillverkning.
Enheten är gjord av en speciell typ av material som kallas en fotonisk topologisk isolator. En fotonisk topologisk isolator kan leda fotoner, de vågliknande partiklarna som utgör ljus, till gränssnitt som är specifikt utformade i materialet samtidigt som de förhindrar dessa partiklar från att spridas genom själva materialet.
På grund av denna egenskap kan topologiska isolatorer få många fotoner att agera sammanhängande som en foton. Enheterna kan också användas som topologiska "kvantsimulatorer", miniatyrlaboratorier där forskare kan studera kvantfenomen, de fysiska lagarna som styr materia i mycket liten skala.
"Den fotoniska topologiska isolatorn vi skapade är unik. Den fungerar vid rumstemperatur. Detta är ett stort framsteg. Tidigare kunde man bara undersöka denna regim med hjälp av stor, dyr utrustning som superkylar materia i ett vakuum. Många forskningslaboratorier har inte tillgång till detta. till den här typen av utrustning, så vår enhet kan tillåta fler människor att bedriva den här typen av grundläggande fysikforskning i labbet", säger Wei Bao, biträdande professor vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid RPI och senior författare till studien.
"Det är också ett lovande steg framåt i utvecklingen av lasrar som kräver mindre energi för att fungera, eftersom vårt tröskelvärde för rumstemperaturenheter - mängden energi som behövs för att få det att fungera - är sju gånger lägre än tidigare utvecklade lågtemperaturenheter, " lade Bao till.
RPI-forskarna skapade sin nya enhet med samma teknik som används i halvledarindustrin för att tillverka mikrochips, vilket innebär att man lägger olika typer av material i lager, atom för atom, molekyl för molekyl, för att skapa en önskad struktur med specifika egenskaper.
För att skapa sin enhet odlade forskarna ultratunna plattor av halogenidperovskit, en kristall gjord av cesium, bly och klor, och etsade en polymer ovanpå den med ett mönster. De placerade dessa kristallplattor och polymer mellan ark av olika oxidmaterial och bildade så småningom ett föremål som var cirka 2 mikron tjockt och 100 mikrometer på längden och bredden (den genomsnittliga människohåret är 100 mikron brett).
När forskarna lyste ett laserljus på enheten dök ett glödande triangulärt mönster upp vid gränssnitten som designats i materialet. Detta mönster, dikterat av enhetens design, är resultatet av topologiska egenskaper hos lasrar.
"Att kunna studera kvantfenomen vid rumstemperatur är ett spännande perspektiv. Professor Baos innovativa arbete visar hur materialteknik kan hjälpa oss att svara på några av vetenskapens största frågor", säger Shekhar Garde, dekanus för RPI School of Engineering.
Mer information: Topologiska dalen Hall polariton kondensation, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01674-6
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Rensselaer Polytechnic Institute
