I ett betydande steg framåt för kvantnanofotonik har ett team av europeiska och israeliska fysiker introducerat en ny typ av polaritoniska håligheter och omdefinierat gränserna för ljusinneslutning. Detta banbrytande arbete, detaljerat i en studie publicerad i Nature Materials , visar en okonventionell metod för att begränsa fotoner och övervinna de traditionella begränsningarna inom nanofotonik.

Fysiker har länge letat efter sätt att tvinga fotoner till allt mindre volymer. Den naturliga längdskalan för fotonen är våglängden och när en foton tvingas in i en kavitet som är mycket mindre än våglängden blir den i praktiken mer "koncentrerad". Denna koncentration förbättrar interaktioner med elektroner, förstärker kvantprocesser i kaviteten.

Men trots betydande framgångar med att begränsa ljus till djupa subvåglängdsvolymer, förblir effekten av förlust (optisk absorption) ett stort hinder. Fotoner i nanokaviteter absorberas mycket snabbt, mycket snabbare än våglängden, och denna spridning begränsar tillämpbarheten av nanokaviteter för några av de mest spännande kvanttillämpningarna.

Forskargruppen till prof. Frank Koppens från ICFO i Barcelona, ​​Spanien, tog sig an denna utmaning genom att skapa nanokaviteter med en oöverträffad kombination av subvåglängdsvolym och förlängd livslängd. Dessa nanokaviteter, som mäter mindre än 100x100nm² i yta och endast 3nm tunna, begränsar ljuset under betydligt längre varaktighet. Nyckeln ligger i användningen av hyperboliska-fonon-polaritoner, unika elektromagnetiska excitationer som sker i 2D-materialet som bildar kaviteten.

Till skillnad från tidigare studier på fononpolaritonbaserade kaviteter, använder detta arbete en ny och indirekt inneslutningsmekanism. Nanokaviteterna skapas genom att borra hål i nanoskala i ett guldsubstrat med den extrema (2-3 nanometer) precisionen av ett He-fokuserat jonstrålemikroskop. Efter att ha gjort hålen överförs hexagonal bornitrid (hBN), ett 2D-material, ovanpå det.

hBN stöder elektromagnetiska excitationer som kallas hyperboliska fotonpolaritoner som liknar vanligt ljus förutom att de kan begränsas till extremt små volymer. När polaritonerna passerar ovanför metallens kant upplever de en stark reflektion från den, vilket gör att de kan begränsas. Denna metod undviker alltså att forma hBN direkt och bevarar dess orörda kvalitet, vilket möjliggör mycket begränsade OCH långlivade fotoner i kaviteten.

Denna upptäckt började med en tillfällig observation som gjordes under ett annat projekt när man använde ett optiskt mikroskop i närområdet för att skanna 2D-materialstrukturer. Närfältsmikroskopet möjliggör spännande och mätning av polaritoner i det mellaninfraröda området av spektrumet och forskarna märkte en ovanligt stark reflektion av dessa polaritoner från den metalliska kanten. Denna oväntade observation utlöste en djupare undersökning, vilket ledde till förverkligandet av den unika inneslutningsmekanismen och dess relation till nanostrålbildning.

Men efter att ha tillverkat och mätt hålrummen fick teamet en enorm överraskning. "Experimentella mätningar är vanligtvis värre än vad teorin skulle antyda, men i det här fallet fann vi att experimenten överträffade de optimistiska förenklade teoretiska förutsägelserna", säger första författaren, Dr. Hanan Herzig Sheinfux, från Bar-Ilan Universitys institution för fysik. "Denna oväntade framgång öppnar dörrar till nya tillämpningar och framsteg inom kvantfotonik, och tänjer på gränserna för vad vi trodde var möjligt."

Dr. Herzig Sheinfux genomförde forskningen tillsammans med Prof. Koppens under hans postdoktoraltid vid ICFO. Han avser att använda dessa håligheter för att se kvanteffekter som tidigare ansågs omöjliga, samt för att ytterligare studera den spännande och kontraintuitiva fysiken hos hyperboliska fononpolaritonbeteende.

Mer information: Hanan Herzig Sheinfux et al, Nanokaviteter av hög kvalitet genom multimodal inneslutning av hyperboliska polaritoner i hexagonal bornitrid, Naturmaterial (2024). doi:10.1038/s41563-023-01785-w , www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w

Journalinformation: Naturmaterial

Tillhandahålls av Bar-Ilan University