Исследователи показали, что можно создать управляемую сверхсильную связь света и вещества при комнатной температуре. Взаимодействие осуществляется в крошечной системе, состоящей из двух золотых зеркал, разделенных небольшим расстоянием, и плазмонных золотых наностержней.
Набор из двух связанных осцилляторов - одна из самых фундаментальных и широко используемых систем в физике. Это очень общая модель, которая описывает множество систем, включая гитарные струны, акустические резонаторы, физику детских качелей, молекулы и химические реакции, гравитационно связанные системы и электродинамику квантовой полости.
Степень связи между двумя осцилляторами является важным параметром, который в основном определяет поведение связанной системы. Однако мало что известно о верхнем пределе, при котором две маятники могут соединяться друг с другом, и о том, какие последствия может иметь такое соединение.
Недавно представленные результаты, опубликованные в Nature Communications , позволяют заглянуть в область так называемой сверхсильной связи, при которой сила связи становится сопоставимой с резонансной частотой осцилляторов.
Связь в этой работе осуществляется посредством взаимодействия света и электронов в крошечной системе, состоящей из двух золотых зеркал, разделенных небольшим расстоянием, и плазмонных золотых наностержней. Исследователи показали, что на поверхности, которая в сто раз меньше кончика человеческого волоса, можно создать управляемое сверхсильное взаимодействие между светом и веществом в условиях окружающей среды, то есть при комнатной температуре и атмосферном давлении.
«Мы не первые, кто реализовал сверхсильную связь. Но, как правило, для достижения такой степени связи требуются сильные магнитные поля, высокий вакуум и чрезвычайно низкие температуры. Когда вы можете выполнить это в обычной лаборатории, это дает больше исследователей работать в этой области, и это дает ценные знания на стыке нанотехнологий и квантовой оптики», - говорит Денис Баранов, исследователь из Технологического университета Чалмерса и первый автор научной статьи.
Чтобы понять систему, реализованную авторами, можно представить резонатор, в данном случае представленный двумя золотыми зеркалами, разделенными несколькими сотнями нанометров, как единый звук в музыке. Наностержни, изготовленные между зеркалами, влияют на то, как свет перемещается между зеркалами, и изменяют их резонансную частоту. Вместо того, чтобы просто звучать как один тон, в парной системе тон разделяется на два: более низкий и более высокий.
Энергетическое разделение двух новых звуков представляет собой силу взаимодействия. В частности, в случае сверхсильной связи сила взаимодействия настолько велика, что становится сопоставимой с частотой исходного резонатора. Это приводит к уникальному дуэту, в котором свет и материя смешиваются в общий объект, образуя квазичастицы, называемые поляритонами. Гибридный характер поляритонов обеспечивает набор интригующих оптических и электронных свойств.
Количество золотых наностержней, зажатых между зеркалами, определяет, силу взаимодействия. Но в то же время он контролирует так называемую нулевую энергию системы. Увеличивая или уменьшая количество стержней, можно подавать или удалять энергию из основного состояния системы и тем самым увеличивать или уменьшать энергию, запасенную в корпусе резонатора.
Примечательно, что авторы косвенно измерили, как количество наностержней изменяет энергию вакуума, «прислушиваясь» к тонам связанной системы, то есть глядя на спектры при проходе света через зеркала с наностержнями. Полученные значения оказались сопоставимы с тепловой энергией, что может привести к наблюдаемым явлениям в будущем.
«Концепция создания управляемой сверхсильной связи при комнатной температуре в относительно простых системах может стать испытательной площадкой для фундаментальной физики», - говорит Тимур Шегай, доцент Chalmers и последний автор научной статьи.
Другими словами, это открытие позволяет исследователям играя с законами природы, проверять пределы взаимосвязи.
«Поскольку тема довольно фундаментальная, потенциальные применения могут быть самыми разными. Наша система позволяет достичь еще более сильных уровней связи, так называемых глубоких сильных связей. Мы все еще не совсем уверены, каков предел связи в нашей системе, но это явно намного выше, чем мы видим сейчас. Важно отметить, что платформа, позволяющая изучать сверхсильную связь, теперь доступна при комнатной температуре», - говорит Тимур Шегай.
