Un nuevo estudio revela un enfoque innovador para el confinamiento de fotones en la nanofotónica cuántica, introduciendo nanocavidades que extienden la vida útil de los fotones manteniendo cantidades inferiores a las longitudes de onda, lo que promete nuevos avances en aplicaciones cuánticas. Crédito: SciTechDaily.com
Dr. Hanan Herzig Scheinfax, de la Universidad Bar-Ilan: «Lo que comenzó como un descubrimiento casual, puede abrir el camino a nuevas aplicaciones cuánticas que pensábamos que eran posibles».
En un importante avance para la nanofotónica cuántica, un equipo de físicos europeos e israelíes ha introducido un nuevo tipo de cavidad polaritónica y redefine los límites de la luz. Este trabajo previo, detallado en un estudio publicado hoy (6 de febrero). materiales naturales, Trascender los límites tradicionales de la nanofotónica muestra una forma poco convencional de limitar los fotones.
Los físicos han buscado durante mucho tiempo formas de forzar a los fotones a ocupar volúmenes cada vez más pequeños. La medida de longitud natural.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>fotón tiene longitud de onda y cuando un fotón es forzado a entrar en una cavidad mucho más corta que la longitud de onda, efectivamente se vuelve más «enfocado».
Esta concentración aumenta la interacción con los electrones, aumentando el proceso de cuantificación dentro de la cavidad. Sin embargo, a pesar del éxito significativo en confinar la luz a cantidades profundas por debajo de la longitud de onda, el efecto de dispersión (absorción óptica) sigue siendo un obstáculo importante.
Los fotones en las nanocavidades se absorben muy rápidamente, mucho más rápido que la longitud de onda, y esta dispersión limita la aplicabilidad de las nanocavidades a algunas aplicaciones cuánticas muy interesantes.
Representación 3D de 4 cavidades polaritónicas de diferentes tamaños. Crédito: Matteo Ceccanti
Diseño avanzado de nanocavidades
El grupo de investigación del Prof. Frank Coppens del ICFO en Barcelona, España, resolvió este desafío creando nanopartículas con una combinación sin precedentes de volumen por debajo de la longitud de onda y vida útil prolongada.
Estas nanocavidades, que miden menos de 100×100 nm² de área y solo 3 nm de grosor, confinan la luz durante períodos de tiempo significativamente más largos. es importante en el uso de excitaciones electromagnéticas únicas de fonón-polarón hiperbólico en cavidades creadas en materiales 2D.
Diagrama de una nanocavidad (vista en sección transversal) y la punta del campo cercano, superpuesta con la distribución de campo similar a un rayo simulada de los modos cuánticos. Crédito: Matteo Ceccanti
A diferencia de estudios anteriores sobre cavidades basadas en fonones-polaritones, este trabajo utiliza un mecanismo de confinamiento nuevo e indirecto. Las nanocavidades se crean mediante perforación.
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>nanoescala Agujeros en el sustrato de oro, muy finos (2-3 nanómetros) con un microscopio de haz de iones enfocado en He.
Después de la perforación, se transfiere sobre él nitruro de boro hexagonal (hBN), un material 2D. hBN admite excitaciones electromagnéticas llamadas polarones de fotones hiperbólicos que son similares a la luz ordinaria excepto que pueden confinarse a volúmenes extremadamente pequeños.
Cuando los polarones pasan sobre el borde de un metal, experimentan un fuerte reflejo del mismo, lo que les permite quedar confinados. Por lo tanto, este método evita moldear directamente el hBN y preserva su calidad básica, permitiendo fotones altamente confinados y de larga vida en la cavidad.
Impresión artística de la nanocavidad y el campo en su interior. Crédito: Matteo Ceccanti
Increíble éxito experimental
El descubrimiento comenzó con una observación casual realizada durante un proyecto diferente mientras se usaba un microscopio óptico de campo cercano para escanear estructuras de materiales 2D. La microscopía de campo cercano permite excitar y medir polarones en el rango del infrarrojo medio del espectro, y los investigadores notaron el reflejo inusualmente fuerte de estos polarones desde el borde del metal. Esta observación inesperada dio lugar a una investigación intensiva, que condujo a la comprensión del mecanismo limitante único y su relación con la formación de nanoestructuras.
Sin embargo, al crear y medir la cueva, el equipo se llevó una gran sorpresa. «Las mediciones experimentales suelen ser peores de lo que sugiere la teoría, pero en este caso descubrimos que el experimento anuló las predicciones teóricas simples esperadas», dijo el primer autor, el Dr. Hanan Herzig Scheinfax, físico de la Universidad Bar-Ilan del departamento.
«Este avance inesperado abre la puerta a nuevas aplicaciones y avances en la fotónica cuántica, superando los límites de lo que pensábamos que era posible».
El Dr. Herzig Sheinfux realizó una investigación con el Prof. Kopenz durante su período postdoctoral en el ICFO. Planea utilizar estas cavidades para observar efectos cuánticos que antes se consideraban imposibles, así como para estudiar más a fondo la fascinante y contraintuitiva física del comportamiento de los polaritones de fonones hiperbólicos.
Cita: «Nanocavidades de alta calidad mediante confinamiento multimodal de polarones hiperbólicos en nitruro de boro hexagonal» 6 de febrero de 2024, materiales naturales.
DOI: 10.1038/s41563-023-01785-w
