Физиците от Технологичния университет Чалмърс в Швеция, заедно с колегите си в Русия и Полша, успяха да постигнат свръхсилна връзка между светлина и материя при стайна температура. Откритието е важно за фундаменталните изследвания и може да проправи пътя за напредък, например в източници на светлина, наномашини и квантови технологии.

свързване

Комплект от два свързани осцилатора е една от най-фундаменталните и най-разпространените системи във физиката. Това е много общ модел играчка, който описва множество системи, вариращи от струни на китара, акустични резонатори и физика на детските люлки, до молекули и химични реакции, от гравитационно свързани системи до електродинамика на квантовата кухина.

Степента на свързване между двата осцилатора е важен параметър, който най-вече определя поведението на свързаната система. Рядко обаче се задава въпросът за горната граница, чрез която две махала могат да се свържат помежду си - и какви последици може да има такова свързване.

Новопредставените резултати, публикувани в Nature Communications, предлагат поглед към областта на така нареченото свръхсилно свързване, при което силата на свързване става сравнима с резонансната честота на осцилаторите. Свързването в тази работа се осъществява чрез взаимодействие между светлина и електрони в малка система, състояща се от две златни огледала, разделени от малко разстояние, и плазмонични златни нанородни. На повърхност, която е сто пъти по-малка от края на човешки косъм, изследователите са показали, че е възможно да се създаде контролируемо свръхсилно взаимодействие между светлина и материя при условия на околната среда - тоест при стайна температура и атмосферно налягане.

"Не сме първите, които осъзнават свръхсилно свързване. Но като цяло са необходими силни магнитни полета, висок вакуум и изключително ниски температури, за да се постигне такава степен на свързване. Когато можете да го извършите в обикновена лаборатория, това позволява на повече изследователи да работа в тази област и тя предоставя ценни знания в границата между нанотехнологиите и квантовата оптика ", казва Денис Баранов, изследовател в Технологичния университет Чалмърс и първият автор на научната статия.

За да се разбере системата, която авторите са реализирали, може да си представим резонатор, в този случай представен от две златни огледала, разделени от няколкостотин нанометра, като един тон в музиката. Нанородните, произведени между огледалата, влияят върху това как светлината се движи между огледалата и променят тяхната резонансна честота. Вместо просто да звучи като един тон, в свързаната система тонът се разделя на две: по-ниска височина и по-висока височина.

Енергийното разделяне между двата нови терена представлява силата на взаимодействие. По-конкретно, в случая на свръхсилно свързване силата на взаимодействие е толкова голяма, че става сравнима с честотата на оригиналния резонатор. Това води до уникален дует, където светлината и материята се смесват в общ обект, образувайки квазичастици, наречени поляритони. Хибридният характер на поляритоните осигурява набор от интригуващи оптични и електронни свойства.

Броят на златните нанороди, поставени между огледалата, контролира колко силно е взаимодействието. Но в същото време той контролира така наречената енергия на нулевата точка на системата. Чрез увеличаване или намаляване на броя на пръчките е възможно да се достави или отстрани енергия от основното състояние на системата и по този начин да се увеличи или намали енергията, съхранявана в резонаторната кутия.

Това, което прави тази работа особено интересна, е, че авторите успяват да измерват индиректно как броят на нанородните променя енергията на вакуума, като „слуша“ тоновете на свързаната система (т.е. гледайки спектрите на пропускане на светлината през огледалата с нанородните ) и извършване на проста математика. Получените стойности се оказаха сравними с топлинната енергия, което може да доведе до наблюдаеми явления в бъдеще.

"Концепция за създаване на контролируемо свръхсилно свързване при стайна температура в относително прости системи може да предложи изпитателен пункт за фундаментална физика. Фактът, че това свръхсилно свързване" струва "енергия може да доведе до видими ефекти, например може да промени реактивността на химикалите или да се адаптира взаимодействия на ван дер Ваалс. Свръхсилното свързване дава възможност за множество интригуващи физически явления ", казва Тимур Шегай, доцент в Чалмърс и последният автор на научната статия.

С други думи, това откритие позволява на изследователите да играят със законите на природата и да тестват границите на свързването.

"Тъй като темата е съвсем фундаментална, потенциалните приложения могат да варират. Нашата система позволява да се достигнат дори по-силни нива на свързване, нещо известно като дълбоко силно свързване. Все още не сме напълно сигурни каква е границата на свързване в нашата система, но е очевидно много по-висока, отколкото виждаме сега. Важното е, че платформата, която позволява изучаване на свръхсилни съединители, вече е достъпна при стайна температура ", казва Тимур Шегай.