1 okt. 2020
3 minuten
Natuurkundigen in Zweden, Rusland en Polen zijn erin geslaagd om bij kamertemperatuur een ultrasterke koppeling tussen licht en materie te bereiken. De vondst kan de weg effenen voor vooruitgang binnen bijvoorbeeld lichtbronnen, nanomachines en kwantumtechnologie.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.
Een set van twee gekoppelde oscillatoren is een van de meest fundamentele en meest voorkomende systemen in de natuurkunde. Het is een heel algemeen voorbeeldmodel dat een overvloed aan systemen beschrijft, variërend van gitaarsnaren, akoestische resonatoren en de fysica van schommels tot moleculen en chemische reacties en van door zwaartekracht gebonden systemen tot elektrodynamica in de kwantumholte.
De mate van koppeling tussen de twee oscillatoren is een belangrijke parameter die vooral het gedrag van het gekoppelde systeem bepaalt. Wat is echter de bovengrens waarmee twee pendels aan elkaar kunnen koppelen – en welke gevolgen kan een dergelijke koppeling hebben?
De nieuw gepresenteerde resultaten bieden een kijkje in het domein van de zogenaamde ultrasterke koppeling, waarbij de koppelingssterkte vergelijkbaar wordt met de resonantiefrequentie van de oscillatoren. De koppeling in dit werk wordt gerealiseerd door interactie tussen licht en elektronen in een klein systeem bestaande uit twee gouden spiegels gescheiden door een kleine afstand en plasmonische gouden nanostaafjes. Op een oppervlak dat honderd keer kleiner is dan het uiteinde van een mensenhaar, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om onder omgevingsomstandigheden – dat wil zeggen bij kamertemperatuur en atmosferische druk – een controleerbare ultrasterke interactie tussen licht en materie te creëren.
Om het systeem te begrijpen, kan men zich een resonator – in dit geval vertegenwoordigd door twee gouden spiegels gescheiden door een paar honderd nanometer – voorstellen als een enkele toon in muziek. De nanostaafjes die tussen de spiegels worden gefabriceerd, beïnvloeden de beweging van het licht tussen de spiegels en veranderen hun resonantiefrequentie. In plaats van gewoon als een enkele toon te klinken, splitst de toon zich in het gekoppelde systeem in tweeën: een lagere toonhoogte en een hogere toonhoogte.
De energiescheiding tussen de twee nieuwe velden vertegenwoordigt de kracht van interactie. Specifiek, in het geval van een ultrasterke koppeling, is de interactiesterkte zo groot dat deze vergelijkbaar wordt met de frequentie van de originele resonator. Dit leidt tot een duet, waarin licht en materie zich vermengen tot een gemeenschappelijk object en quasi-deeltjes vormen die polaritonen worden genoemd. Het hybride karakter van polaritonen biedt een reeks optische en elektronische eigenschappen.
Het aantal gouden nanostaafjes dat tussen de spiegels is ingeklemd, bepaalt hoe sterk de interactie is. Maar tegelijkertijd controleert het de zogenaamde nulpuntsenergie van het systeem. Door het aantal staven te vergroten of te verkleinen, is het mogelijk om energie toe te voeren of te verwijderen uit de grondtoestand van het systeem en daardoor de opgeslagen energie in de resonatorkast te vergroten of te verkleinen.
De auteurs slaagden erin om indirect te meten hoe het aantal nanostaafjes de vacuümenergie verandert door te ‘luisteren’ naar de tonen van het gekoppelde systeem (dat wil zeggen door naar de lichttransmissiespectra door de spiegels met de nanostaafjes te kijken) en door eenvoudige wiskunde uit te voeren. De resulterende waarden bleken vergelijkbaar te zijn met de thermische energie, wat in de toekomst tot waarneembare verschijnselen kan leiden.
Anderen lazen ook
