Novas nanocavidades abrem novas fronteiras no confinamento leve


Quebrando fronteiras na fotônica quântica: nanocavidades inovadoras desbloqueiam novas fronteiras no confinamento da luz

Renderização 3D de 4 cavidades poalritônicas de diferentes tamanhos. Crédito: Matteo Ceccanti

Num avanço significativo para a nanofotónica quântica, uma equipa de físicos europeus e israelitas introduziu um novo tipo de cavidades polaritónicas e redefiniu os limites do confinamento da luz. Este trabalho pioneiro, detalhado em estudo publicado em Materiais da Naturezademonstra um método não convencional para confinar fótons, superando as limitações tradicionais da nanofotônica.

Os físicos há muito procuram maneiras de forçar os fótons a volumes cada vez menores. A escala de comprimento natural do fóton é o comprimento de onda e quando um fóton é forçado para uma cavidade muito menor que o comprimento de onda, ele efetivamente se torna mais “concentrado”. Essa concentração aumenta as interações com os elétrons, amplificando os processos quânticos dentro da cavidade.

No entanto, apesar do sucesso significativo no confinamento da luz em volumes profundos de subcomprimentos de onda, o efeito da dissipação (absorção óptica) continua a ser um grande obstáculo. Os fótons em nanocavidades são absorvidos muito rapidamente, muito mais rápido que o comprimento de onda, e essa dissipação limita a aplicabilidade das nanocavidades a algumas das aplicações quânticas mais interessantes.

O grupo de pesquisa do Prof. Frank Koppens do ICFO em Barcelona, ​​Espanha, abordou esse desafio criando nanocavidades com uma combinação incomparável de volume de subcomprimento de onda e vida útil prolongada. Essas nanocavidades, medindo menos de 100x100nm² em área e apenas 3nm de espessura, confinam a luz por períodos significativamente mais longos. A chave está no uso de polaritons de fônons hiperbólicos, excitações eletromagnéticas únicas que ocorrem no material 2D que forma a cavidade.

Quebrando fronteiras na fotônica quântica: nanocavidades inovadoras desbloqueiam novas fronteiras no confinamento da luz

Esboço de uma nanocavidade (vista em corte transversal) e da ponta do campo próximo, sobreposta à distribuição de campo semelhante a um raio simulado dos modos de cavidade. Crédito: Matteo Ceccanti

Ao contrário de estudos anteriores sobre cavidades baseadas em fônons polaritons, este trabalho utiliza um mecanismo de confinamento novo e indireto. As nanocavidades são criadas perfurando furos em nanoescala em um substrato de ouro com a precisão extrema (2-3 nanômetros) de um microscópio de feixe de íons focado em He. Depois de fazer os furos, o nitreto de boro hexagonal (hBN), um material 2D, é transferido para cima.

O hBN suporta excitações eletromagnéticas chamadas polaritons de fótons hiperbólicos, que são semelhantes à luz comum, exceto que podem ser confinadas a volumes extremamente pequenos. Quando os polaritons passam acima da borda do metal, eles sofrem uma forte reflexão, o que permite que sejam confinados. Este método evita assim moldar o hBN diretamente e preserva sua qualidade original, permitindo fótons altamente confinados e de longa duração na cavidade.

Esta descoberta começou com uma observação casual feita durante um projeto diferente enquanto usava um microscópio óptico de campo próximo para escanear estruturas de materiais 2D. O microscópio de campo próximo permite excitar e medir polaritons na faixa do infravermelho médio do espectro e os pesquisadores notaram um reflexo incomumente forte desses polaritons na borda metálica. Esta observação inesperada desencadeou uma investigação mais profunda, levando à compreensão do mecanismo único de confinamento e à sua relação com a formação de nanoraios.

Quebrando fronteiras na fotônica quântica: nanocavidades inovadoras desbloqueiam novas fronteiras no confinamento da luz

Impressão artística de uma nanocavidade e do campo dentro dela. Crédito: Matteo Ceccanti

Porém, ao confeccionar e medir as cavidades, a equipe teve uma grande surpresa. “As medições experimentais são geralmente piores do que a teoria sugere, mas, neste caso, descobrimos que os experimentos superaram as previsões teóricas simplificadas e otimistas”, disse o primeiro autor, Dr. Hanan Herzig Sheinfux, do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan. “Este sucesso inesperado abre portas para novas aplicações e avanços na fotônica quântica, ultrapassando os limites do que pensávamos ser possível.”

Dr. Herzig Sheinfux conduziu a pesquisa com o Prof. Koppens durante seu período de pós-doutorado no ICFO. Ele pretende usar essas cavidades para ver efeitos quânticos que antes eram considerados impossíveis, bem como para estudar mais a fundo a física intrigante e contra-intuitiva do comportamento hiperbólico do polariton do fônon.

Mais Informações:
Hanan Herzig Sheinfux et al, Nanocavidades de alta qualidade através do confinamento multimodal de polaritons hiperbólicos em nitreto de boro hexagonal, Materiais da Natureza (2024). www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w

Fornecido pela Universidade Bar-Ilan

Citação: Quebrando fronteiras em fotônica quântica: novas nanocavidades desbloqueiam novas fronteiras no confinamento de luz (2024, 6 de fevereiro) recuperado em 6 de fevereiro de 2024 em https://phys.org/news/2024-02-boundaries-quantum-photonics-nanocavities-frontiers. HTML

Este documento está sujeito a direitos autorais. Além de qualquer negociação justa para fins de estudo ou pesquisa privada, nenhuma parte pode ser reproduzida sem permissão por escrito. O conteúdo é fornecido apenas para fins informativos.



Deixe um comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *