Ljus och materia sjunger stämsång i labbet
När ljus och materia kopplas samman och blir till ett, uppstår en helt ny duett. I den starka kopplingen uppstår en sorts kvasipartiklar, polaritoner, med speciella egenskaper. Upptäckten öppnar nya forskningsmöjligheter och banar väg för till exempel nanomaskiner, ljusstyrd teknik och kvantteknologi.
Fysiker vid Chalmers har, tillsammans med kollegor i Ryssland och Polen, för första gången lyckats skapa och kontrollera en superstark koppling mellan ljus och materia i vanlig rumstemperatur.
– Som regel krävs det starka magnetfält, högt vakuum och extremt låga temperaturer för att uppnå såhär stark koppling. När den går att kontrollera i ett vanligt labb, kan fler forskare arbeta inom området och det ger värdefull kunskap i gränslandet mellan nanoteknik och kvantoptik, säger Denis Baranov, forskare vid institutionen för fysik vid Chalmers och huvudförfattare till den vetenskapliga artikel som publicerats i Nature Communications.
De banbrytande resultaten ger en inblick i en vibrerande miniatyrvärld som kan beskrivas med hjälp av musik. På en yta som är hundra gånger mindre än spetsen på ett hårstrå har forskarna utfört sina experiment. Guldstavar med särskilda optiska egenskaper har placerats mellan två tättsittande guldnanospeglar, som fungerar som förstärkare av den ton som systemet skapar. Både guldnanospeglarna och guldnanostavarna har tillverkats på Chalmers.
Kvasipartiklar med spännande egenskaper
De specialtillverkade guldstavarna påverkar hur ljuset studsar mellan speglarna, och därmed också tonen. När den starka kopplingen mellan ljuset och speglarna uppstår förändras ljudet. I stället för att det bara hörs en ton, delar sig tonen i en hög och en låg frekvens. I den unika stämsång som uppstår när ljus och materia bildar duett, skapas en sorts kvasipartiklar som kallas polaritoner. De är hybrider och har spännande optiska och elektroniska egenskaper.
Antalet guldstavar mellan speglarna styr hur stark interaktionen blir. Det styr också systemets så kallade nollpunktsenergi. Genom att öka eller minska antalet stavar är det möjligt att tillföra eller ta bort energi från systemets grundtillstånd, och därmed öka eller minska energin som lagras mellan speglarna. Forskarna kan mäta hur antalet nanostavar påverkar energin genom att ”lyssna” på tonerna i det kopplade systemet.
Eftersom kopplingen är mycket stark kan skillnaden i nollpunktsenergi bli så stor att den får betydelse även vid rumstemperatur, där den vanligtvis dränks av termiskt brus.
Forskarna kan leka med naturlagarna
Med andra ord gör den nya upptäckten det möjligt för forskarna att ”leka” lite med naturlagarna och testa gränserna för vad som är möjligt att uppnå när det gäller stark koppling.
– Vi vet ännu inte hur stark kopplingen kan bli, bara att den kan bli mycket starkare än vi lyckats skapa hittills. Nu när det går att studera detta i rumstemperaturen öppnas nya möjligheter inom grundforskningen. Vad den nya kunskapen ska användas till går inte att veta ännu, men kanske banar den väg för till exempel nanomaskiner, ljusstyrd teknik och kvantteknologi, säger Timur Shegai, biträdande professor vid institutionen för fysik på Chalmers.
Vetenskaplig artikel:
Ultrastrong coupling between nanoparticle plasmons and cavity photons at ambient conditions, (Denis Baranov, Battulga Munkhbat, Elena Zhukova, Ankit Bisht, Adriana Canales, Benjamin Rousseaux, Göran Johansson, Tomasz Antosiewicz och Timur Shegai.) Nature Communications
Forskarna är verksamma vid institutionen för fysik och institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers, samt vid Moscow Institute of Physics and Technology och vid Faculty of Physics, University of Warsaw.
Kontakt:
Denis Baranov, forskare, institutionen för fysik, Chalmers, denisb@chalmers.se
Göran Johansson, professor, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers, goran.l.johansson@chalmers.se
Timur Shegai, biträdande professor, institutionen för fysik, Chalmers, timurs@chalmers.se
