Manipulatie van nanolicht biedt nieuwe inzichten voor quantum computing en thermisch beheer

Een recent onderzoek onder leiding van onderzoekers van de University of Minnesota Twin Cities biedt fundamenteel inzicht in hoe licht, elektronen en kristalvibraties interacteren in materialen. Het onderzoek heeft implicaties voor de ontwikkeling van on-chip architecturen voor kwantuminformatieverwerking, waardoor fabricagebeperkingen en thermisch beheer aanzienlijk worden verminderd.

Het onderzoeksveld dat de zogenaamde “planaire hyperbolische polaritonen” bestudeert, is nieuw en dateert van slechts een paar jaar geleden. Het onderzoeksartikel, gepubliceerd in Natuurcommunicatiegeeft een overzicht van de huidige stand van zaken op het gebied van onderzoek, verkent mogelijke wegen voor verdere verkenning en benadrukt toekomstige kansen.

Polaritonen verwijzen naar een hybride deeltje dat ontstaat door de interactie tussen licht (fotonen) en materie (excitonen, fononen, plasmonen). Hyperbolisch verwijst naar de specifieke dispersie die beschrijft hoe de polaritongolflengte verandert met de invallende frequentie (energie) binnen dergelijke materialen, wat de manipulatie van licht in specifieke richtingen mogelijk kan maken. Door beide factoren te combineren, kijken onderzoekers hoe ze licht in een goed gedefinieerde richting kunnen manipuleren.

Een gloeilamp kan worden gebruikt als een eenvoudig voorbeeld van deze theorie. Wanneer u een schakelaar aanzet, zendt het licht van de gloeilamp een breed scala aan golflengten uit die zich in alle richtingen verspreiden, omdat de ruimte in alle richtingen dezelfde eigenschap heeft. Maar er zijn bepaalde materialen die licht in een 2D-ruimte kunnen manipuleren, waarbij in dit voorbeeld de gloeilamp als een laser langs een goed gedefinieerde richting zou schijnen zodra u de schakelaar aanzet.

“Door de eigenschappen van hyperbolische polaritonen te manipuleren, kunnen we nieuwe toepassingen en ontwikkelingen in verschillende sectoren mogelijk maken, zoals polaritonqubits (basiseenheden van kwantuminformatie) voor een compacte quantumcomputer”, aldus Tony Low, de hoofdauteur van de studie en Paul Palmberg hoogleraar aan de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek van de Universiteit van Minnesota.

“Andere mogelijke toepassingen van dit onderzoek zouden het verbeteren van het thermisch beheer in specifieke apparaten, zoals een transistor, kunnen zijn”, aldus Joshua Caldwell, een van de hoofdauteurs van de studie en hoogleraar aan de Vanderbilt University.

Het onderzoeksteam bood inzicht in de natuurkundige verschijnselen, waaronder technieken om de hyperbolische polaritonen te manipuleren.

Naast Low en Caldwell bestond het onderzoeksteam uit Hongwei Wang (University of Minnesota Twin Cities), Anshuman Kumar (IIT Bombay), Siyuan Dai (Auburn University), Xiao Lin (Zhejiang University), Zubin Jacob (Purdue University), Sang-Hyun Oh (University of Minnesota Twin Cities), Vinod Menon (University of New York), Evgenii Narimanov (Purdue University) en Young Duck Kim (Kyung Hee University), Jian-Ping Wang (University of Minnesota Twin Cities), Phaedon Avouris (University of Minnesota Twin Cities) en Luis Martin Moreno (Universidad de Zaragoza).