”Kvantoptiska antenner” ger kraftfullare mätningar på atomnivå

by Albert
GeV som en antenn. Kredit: Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01456-5

På samma sätt som en radioantenn plockar upp en sändning från luften och koncentrerar energin till en låt, kan enskilda atomer samla och koncentrera ljusets energi till en stark, lokal signal som forskare kan använda för att studera materiens grundläggande byggstenar.

Ju kraftigare intensitetsförstärkning, desto bättre antenn. Men forskarna har aldrig kunnat utnyttja de potentiellt enorma intensitetsförstärkningarna hos vissa ”atomantenner” i fasta material, helt enkelt för att de är fasta.

”För det mesta när man har atomer i fasta material interagerar de med omgivningen. Det finns en hel del oordning, de skakas av fononer och utsätts för andra störningar som minskar signalens koherens”, säger Alex High, biträdande professor vid UChicago Pritzker School of Molecular Engineering.

I en ny artikel publicerad i Nature Photonics har ett multi-institutionellt team lett av High Lab löst detta problem. De har använt vakanscentra av germanium i diamanter för att skapa en optisk energiförstärkning av sex storleksordningar, en nivå som är svår att nå med konventionella antennstrukturer.

Denna miljonfaldiga energiförbättring skapar vad som i artikeln kallas en ”exemplarisk” optisk antenn och ger ett nytt verktyg som öppnar upp för helt nya forskningsområden.

”Det är inte bara ett genombrott inom tekniken. Det är också ett genombrott inom grundläggande fysik”, säger Zixi Li, doktorand vid PME och medförfattare till artikeln. ”Det är välkänt att en exciterad atomdipol kan generera en nära-fil med enorm intensitet, men ingen har någonsin visat detta i ett experiment tidigare.”

Från teori till praktik

Kärnan i en optisk antenn är att den skapar en oscillerande elektronisk dipol när den exciteras vid resonans.

”Optiska antenner är i princip strukturer som interagerar med elektromagnetiska fält och absorberar eller avger ljus vid vissa resonanser, som elektronerna som rör sig mellan energinivåerna i dessa färgcentra”, säger High.

Elektronen oscillerar när den övergår mellan ett exciterat tillstånd och ett grundtillstånd och koncentrerar en jämförelsevis enorm mängd energi, vilket gör en atomär optisk dipol i ett fast ämne till en utmärkt antenn – teoretiskt sett.

Det som gjorde att denna förmåga förblev teoretisk var det faktum att atomerna befann sig i fasta ämnen, utsatta för all den skakning, elektronstörning och allmänna brus som uppstår när man är en del av en tätt packad struktur. Färgcentrum – små defekter i diamanter och andra material med intressanta kvantegenskaper – gav teamet en lösning.

”Något som har observerats under de senaste sju eller åtta åren är att vissa typer av färgcentra kan vara immuna mot dessa miljöeffekter”, säger High.

Doktoranden Zixi Li vid UChicago Pritzker School of Molecular Engineering är försteförfattare till en ny artikel från Alex Highs laboratorium, som visar på ett nytt sätt att göra kraftfullare mätningar på atomnivå. Kredit: Hong Qiao

Doktoranden Zixi Li vid UChicago Pritzker School of Molecular Engineering är försteförfattare till en ny artikel från Alex Highs laboratorium, som visar på ett nytt sätt att göra kraftfullare mätningar på atomnivå. Kredit: Hong Qiao

Detta öppnar spännande forskningsmöjligheter, säger medförfattaren Darrick Chang från Institute of Photonic Sciences i Barcelona, Spanien.

”För mig är den mest intressanta aspekten av ett färgcentrum inte bara fältförstärkningen, utan också det faktum att det utsända ljuset i sig är kvantmekaniskt”, säger han. ”Det gör det spännande att fundera på om en ’kvantoptisk antenn’ kan ha en annan uppsättning funktioner och arbetsmekanismer jämfört med en klassisk optisk antenn.”

Men att omvandla denna teori till en praktiskt användbar antenn tog flera år, samarbete med forskare runt om i världen och teoretisk vägledning från UChicagos Galli-grupp.

”Det samarbete mellan teori, beräkningar och experiment som Alex High inledde bidrog inte bara till att förstå och tolka den vetenskapliga kärnan, utan öppnade också nya forskningsområden på beräkningssidan”, säger professor Guilia Galli, en av medförfattarna till artikeln. ”Samarbetet har varit extremt fruktbart.”

Ett färgcentrums magi

Avbildning på atomnivå är en kombination av förstärkning och bandbredd – signalens styrka och den mängd signal som kan studeras. På grund av detta ser Xinghan Guo, som är förstaförfattare, den nya tekniken som ett komplement till befintliga tekniker, inte som en ersättning för dem.

”Vi erbjuder en mycket högre förstärkning men vår bandbredd är smalare”, säger Guo, som nyligen avslutade sin doktorsexamen vid PME och nu är postdoktoral forskare vid Yale. ”Om du har en mycket selektiv signal som har en smal bandbredd men kräver mycket förstärkning, kan du komma till oss.”

Den nya tekniken erbjuder andra fördelar än bara en kraftfullare signal. Medan befintliga tekniker som Raman- och FRET-spektroskopi med enstaka molekyler förstärker signalen genom att bombardera den med ljus, kräver den här tekniken bara nanowatt energi för att aktiveras. Detta innebär en stark signal utan den blekning, uppvärmning och bakgrundsfluorescens som överdrivet ljus skapar.

Till skillnad från konventionella plasmoniska antenner avger inte heller germanium-centren någon energi när de används.

”Det magiska med ett färgcentrum är att det samtidigt är punktliknande och undviker förlusterna hos ett plasmoniskt material, vilket gör att det kan behålla sin extrema fältförstärkning”, säger Chang.

För High är det spännande inte den nya antennformen, utan de potentiella upptäckter som de kommer att göra.

”Det som är spännande är att det här är en generell funktion”, säger High. ”Vi kan integrera dessa färgcentrum i en mängd olika system, och sedan kan vi använda dem som lokala antenner för att utveckla nya processer som både bygger nya apparater och hjälper oss att förstå hur universum fungerar.”

Ytterligare information: Zixi Li et al, Atomic optical antennas in solids, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01456-5

Related Articles

Leave a Comment