Peneliti mengembangkan proses unik untuk menghasilkan campuran materi cahaya

Peneliti mengembangkan proses unik untuk menghasilkan campuran materi cahaya


Berita – MINNEAPOLIS / ST. PAUL (12/07/2020) – Dalam terobosan penelitian baru, tim peneliti internasional yang dipimpin oleh University of Minnesota Twin Cities telah mengembangkan proses unik untuk menghasilkan keadaan kuantum yang merupakan bagian cahaya dan sebagian materi.

Penemuan ini memberikan wawasan baru yang mendasar untuk mengembangkan perangkat optik dan elektronik berbasis kuantum generasi berikutnya secara lebih efisien. Penelitian ini juga dapat berdampak pada peningkatan efisiensi reaksi kimia skala nano.

Penelitian ini dipublikasikan di Nature Photonics, jurnal ilmiah berdampak tinggi dan ditinjau sejawat yang diterbitkan oleh Springer Nature Publishing Group.

Ilmu kuantum mempelajari fenomena alam cahaya dan materi pada skala terkecil. Dalam studi ini, para peneliti mengembangkan proses unik di mana mereka mencapai “penggandengan ultrastrong” antara cahaya inframerah (foton) dan materi (getaran atom) dengan menjebak cahaya dalam lubang kecil berbentuk lingkaran di lapisan tipis emas. Lubang ini berukuran sekecil dua nanometer, atau kira-kira 25.000 kali lebih kecil dari lebar rambut manusia.

Rongga nano ini, mirip dengan versi kabel koaksial yang sangat diperkecil yang digunakan untuk mengirim sinyal listrik (seperti kabel yang masuk ke TV Anda), diisi dengan silikon dioksida, yang pada dasarnya sama dengan kaca jendela. Metode fabrikasi yang unik, berdasarkan teknik yang dikembangkan dalam industri chip komputer, memungkinkan untuk menghasilkan jutaan rongga ini secara bersamaan, dengan semuanya secara bersamaan memamerkan kopling getaran foton yang sangat kuat ini.

“Orang lain telah mempelajari kopling kuat cahaya dan materi, tetapi dengan proses baru ini untuk merekayasa versi kabel koaksial berukuran nanometer, kami mendorong batas-batas kopling ultrastrong, yang berarti kami menemukan status kuantum baru di mana materi dan cahaya dapat sifat yang berbeda dan hal-hal yang tidak biasa mulai terjadi, ”kata Sang-Hyun Oh, seorang profesor teknik listrik dan komputer dari Universitas Minnesota dan penulis senior studi tersebut. “Penggabungan getaran cahaya dan atom yang sangat kuat ini membuka semua jenis kemungkinan untuk mengembangkan perangkat berbasis kuantum baru atau memodifikasi reaksi kimia.”

Interaksi antara cahaya dan materi merupakan pusat kehidupan di bumi — memungkinkan tumbuhan mengubah sinar matahari menjadi energi dan memungkinkan kita melihat objek di sekitar kita. Cahaya inframerah, dengan panjang gelombang yang lebih panjang dari yang dapat kita lihat dengan mata kita, berinteraksi dengan getaran atom dalam material. Misalnya, saat sebuah objek dipanaskan, atom yang menyusun objek mulai bergetar lebih cepat, mengeluarkan lebih banyak radiasi infra merah, memungkinkan pencitraan termal atau kamera penglihatan malam.

Sebaliknya, panjang gelombang radiasi infra merah yang diserap oleh bahan bergantung pada jenis atom apa yang menyusun bahan dan bagaimana susunannya, sehingga ahli kimia dapat menggunakan serapan inframerah sebagai “sidik jari” untuk mengidentifikasi bahan kimia yang berbeda.

Aplikasi ini dan lainnya dapat ditingkatkan dengan meningkatkan seberapa kuat cahaya inframerah berinteraksi dengan getaran atom dalam material. Ini, pada gilirannya, dapat dilakukan dengan menjebak cahaya ke dalam volume kecil yang berisi materi. Menangkap cahaya bisa sesederhana membuatnya memantulkan bolak-balik antara sepasang cermin, tetapi interaksi yang jauh lebih kuat dapat diwujudkan jika struktur logam berskala nanometer, atau “nanocavities,” digunakan untuk membatasi cahaya pada skala panjang ultra-kecil .

Ketika ini terjadi, interaksi bisa menjadi cukup kuat sehingga sifat kuantum-mekanis cahaya dan getaran ikut bermain. Dalam kondisi seperti itu, energi yang diserap dipindahkan bolak-balik antara cahaya (foton) di nanocavities dan getaran atom (fonon) dalam material dengan kecepatan yang cukup cepat sehingga foton cahaya dan fonon materi tidak dapat lagi dibedakan. Dalam kondisi seperti itu, mode yang sangat digabungkan ini menghasilkan objek kuantum-mekanis baru yang merupakan sebagian cahaya dan sebagian getaran pada saat yang sama, yang dikenal sebagai “polariton”.

Semakin kuat interaksinya, semakin asing efek kuantum-mekanis yang dapat terjadi. Jika interaksi menjadi cukup kuat, dimungkinkan untuk membuat foton dari ruang hampa, atau membuat reaksi kimia berlangsung dengan cara yang tidak mungkin dilakukan.

“Sangat menarik bahwa, dalam rezim penggandengan ini, vakum tidak kosong. Sebaliknya, ia mengandung foton dengan panjang gelombang yang ditentukan oleh getaran molekul. Selain itu, foton ini sangat terbatas dan dibagi oleh sejumlah kecil molekul,” kata Profesor Luis Martin-Moreno di Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) di Spanyol, penulis makalah lainnya.

“Biasanya, kami menganggap vakum pada dasarnya bukan apa-apa, tapi ternyata fluktuasi vakum ini selalu ada,” kata Oh. “Ini adalah langkah penting untuk benar-benar memanfaatkan apa yang disebut fluktuasi energi nol ini untuk melakukan sesuatu yang berguna.”

Selain Oh dan Martin-Moreno, tim peneliti termasuk Daehan Yoo, In-Ho Lee, dan Daniel A. Mohr, Universitas Minnesota; Fernando de León-Pérez, Centro Universitario de la Defensa de Zaragoza dan Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) di Spanyol; Matthew Pelton, Universitas Maryland Baltimore County; Markus B. Raschke, Universitas Colorado Boulder; dan Joshua D. Caldwell, Universitas Vanderbilt.

Penelitian ini didanai terutama oleh US National Science Foundation dan Samsung Global Research Outreach Program dengan dukungan tambahan dari Kementerian Ekonomi dan Daya Saing Spanyol, Proyek Pemerintah Aragón, Kantor Riset Angkatan Laut AS, dan Ketua Sanford P. Bordeau di bidang Teknik Elektro di Universitas Minnesota.

Untuk membaca makalah penelitian lengkap berjudul “Ultrastrong plasmon-phonon coupling via epsilon-near-zero nanocavities,” kunjungi Nature Photonics situs web.


Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author