Grenzen doorbreken in kwantumfotonica: nieuwe nanoholtes ontsluiten nieuwe grenzen op het gebied van lichtopsluiting

In een belangrijke sprong voorwaarts voor de kwantumnanofotonica heeft een team van Europese en Israëlische natuurkundigen een nieuw type polaritonische holtes geïntroduceerd en de grenzen van de lichtopsluiting opnieuw gedefinieerd. Dit baanbrekende werk, gedetailleerd beschreven in een studie gepubliceerd in Natuur materialendemonstreert een onconventionele methode om fotonen te beperken, waardoor de traditionele beperkingen in nanofotonica worden overwonnen.

Natuurkundigen zijn al lang op zoek naar manieren om fotonen in steeds kleinere volumes te dwingen. De natuurlijke lengteschaal van het foton is de golflengte en wanneer een foton in een holte wordt gedwongen die veel kleiner is dan de golflengte, wordt het feitelijk meer ‘geconcentreerd’. Deze concentratie verbetert de interacties met elektronen, waardoor kwantumprocessen in de holte worden versterkt.

Ondanks aanzienlijk succes bij het beperken van licht tot diepe volumes onder de golflengte, blijft het effect van dissipatie (optische absorptie) echter een groot obstakel. Fotonen in nanoholten worden zeer snel geabsorbeerd, veel sneller dan de golflengte, en deze dissipatie beperkt de toepasbaarheid van nanoholten tot enkele van de meest opwindende kwantumtoepassingen.

De onderzoeksgroep van prof. Frank Koppens van ICFO in Barcelona, ​​Spanje, heeft deze uitdaging aangepakt door nanocaviteiten te creëren met een ongeëvenaarde combinatie van volume onder de golflengte en een langere levensduur. Deze nanoholtes, die een oppervlakte hebben van minder dan 100 x 100 nm² en slechts 3 nm dun zijn, beperken het licht voor aanzienlijk langere duur. De sleutel ligt in het gebruik van hyperbolische-fonon-polaritonen, unieke elektromagnetische excitaties die plaatsvinden in het 2D-materiaal dat de holte vormt.

In tegenstelling tot eerdere onderzoeken naar op fonon-polariton gebaseerde holtes, maakt dit werk gebruik van een nieuw en indirect opsluitingsmechanisme. De nanoholten worden vervaardigd door gaten op nanoschaal in een goudsubstraat te boren met de extreme (2-3 nanometer) precisie van een He-gerichte ionenbundelmicroscoop. Na het maken van de gaten wordt er hexagonaal boornitride (hBN), een 2D-materiaal, overheen overgebracht.

Het hBN ondersteunt elektromagnetische excitaties, hyperbolische fotonpolaritonen genoemd, die vergelijkbaar zijn met gewoon licht, behalve dat ze beperkt kunnen worden tot extreem kleine volumes. Wanneer de polaritonen boven de rand van het metaal passeren, ervaren ze een sterke reflectie ervan, waardoor ze kunnen worden opgesloten. Deze methode vermijdt dus dat het hBN rechtstreeks wordt gevormd en behoudt de oorspronkelijke kwaliteit ervan, waardoor zeer beperkte EN langlevende fotonen in de holte mogelijk zijn.

Deze ontdekking begon met een toevallige waarneming tijdens een ander project terwijl een optische microscoop in het nabije veld werd gebruikt om 2D-materiaalstructuren te scannen. De nearfield-microscoop maakt het mogelijk om polaritonen in het midden-infraroodbereik van het spectrum te exciteren en te meten. De onderzoekers merkten een ongewoon sterke reflectie van deze polaritonen op vanaf de metalen rand. Deze onverwachte observatie leidde tot een dieper onderzoek, wat leidde tot de realisatie van het unieke opsluitingsmechanisme en de relatie ervan met de vorming van nanostralen.

Bij het maken en meten van de holtes stond het team echter voor een grote verrassing. “Experimentele metingen zijn meestal slechter dan de theorie zou suggereren, maar in dit geval ontdekten we dat de experimenten beter presteerden dan de optimistische, vereenvoudigde theoretische voorspellingen”, zei eerste auteur, dr. Hanan Herzig Sheinfux, van de afdeling natuurkunde van Bar-Ilan University. “Dit onverwachte succes opent deuren voor nieuwe toepassingen en vooruitgang in de kwantumfotonica, waardoor de grenzen worden verlegd van wat we dachten dat mogelijk was.”

Dr. Herzig Sheinfux voerde het onderzoek samen met prof. Koppens uit tijdens zijn postdoctorale termijn bij ICFO. Hij is van plan deze holtes te gebruiken om kwantumeffecten te zien die voorheen voor onmogelijk werden gehouden, en om de intrigerende en contra-intuïtieve fysica van hyperbolisch fononpolaritongedrag verder te bestuderen.