Прорив плазмоніки відкриває нову еру квантових технологій

Квантові дослідники відкривають важливі наслідки для квантової технології. У нещодавній публікації в Nature Physics, LSU Quantum Photonics Group пропонує новий погляд на фундаментальні особливості поверхневих плазмонів, кидаючи виклик існуючому розумінню. Ґрунтуючись на експериментальних і теоретичних дослідженнях, проведених у лабораторії доцента Омара Маганьї-Лоайзи, ці нові відкриття знаменують значний прогрес у квантовій плазмоніці, можливо, найбільш значущий за останнє десятиліття.

Переосмислення плазмонічної поведінки

Хоча попередні дослідження в цій галузі переважно зосереджувались на колективній поведінці плазмонних систем, група LSU прийняла окремий підхід. Розглядаючи плазмонічні хвилі як головоломку, вони змогли виділити багаточастинкові підсистеми або розбити головоломку на частини. Це дозволило команді побачити, як різні частини працюють разом, і виявило іншу картину, або, в цьому випадку, нову поведінку поверхневих плазмонів.

Плазмони — це хвилі, які рухаються вздовж поверхні металів, коли світло поєднується з зарядовими коливаннями. Подібно до того, як кидання камінчиків у воду створює брижі, плазмони – це «брижі», що рухаються по металевих поверхнях. Ці хвилинні хвилі діють у нанометровому масштабі, що робить їх вирішальними в таких галузях, як нанотехнології та оптика.

Квантова механіка плазмонів

«Ми виявили, що якщо ми подивимося на квантові підсистеми плазмонних хвиль, то зможемо побачити зворотні моделі, чіткіші моделі та протилежну інтерференцію, яка повністю протилежна класичній поведінці», — пояснив Райлі Докінз, аспірант і співавтор перший автор дослідження, який керував теоретичним дослідженням.

Використовуючи світло, спрямоване на наноструктуру золота, і спостерігаючи за поведінкою розсіяного світла, квантова група LSU виявила, що поверхневі плазмони можуть проявляти характеристики як бозонів, так і ферміонів, які є фундаментальними частинками в квантовій фізиці. Це означає, що квантові підсистеми можуть проявляти некласичну поведінку, наприклад рухатися в різних напрямках залежно від конкретних умов.

Наслідки для квантових технологій

«Уявіть, що ви їдете на велосипеді. Можна повірити, що більшість ваших атомів рухаються в тому ж напрямку, що й велосипед. І це справедливо для більшості з них. Але насправді деякі атоми рухаються в протилежному напрямку», — пояснила Маганья-Лоайса. «Одним із наслідків цих результатів є те, що, розуміючи ці дуже фундаментальні властивості плазмонних хвиль і, що найважливіше, цю нову поведінку, можна розробити більш чутливі та надійні квантові технології».

У 2007 році використання плазмонних хвиль для виявлення сибірської виразки дало поштовх до дослідження застосування квантових принципів для вдосконалення сенсорної технології. Зараз дослідники прагнуть інтегрувати ці принципи в плазмонічні системи для створення датчиків з підвищеною чутливістю і точністю. Цей прогрес має значні перспективи в різних сферах, включаючи медичну діагностику, моделювання розробки ліків, моніторинг навколишнього середовища та квантову інформатику.

Віха у квантових дослідженнях

Дослідження готове зробити значний вплив на сферу квантової плазмоніки, оскільки дослідники з усього світу використовуватимуть результати для квантового моделювання. Ченлонг Ю, асистент професора-дослідника та автор-кореспондент, підкреслив: «Наші відкриття не тільки розкривають цю цікаву нову поведінку в квантових системах, але також є квантовою плазмонною системою з найбільшою в історії кількістю частинок, і саме це підносить квантову фізику до інший рівень».

Аспірант і співавтор Мін’юань Хонг очолював експериментальну фазу дослідження. Незважаючи на складність систем квантової плазмоніки, Хонг зазначив, що його основними проблемами під час експериментів були зовнішні перешкоди. «Вібрації від різних джерел, таких як будівництво доріг, становили серйозну проблему через надзвичайну чутливість плазмового зразка. З усім тим, зрештою нам вдалося витягти квантові властивості з плазмонних хвиль, що стало проривом, який покращує чутливі квантові технології. Це досягнення може відкрити нові можливості для майбутнього квантового моделювання».

Дослідження під назвою «Некласична динаміка ближнього поля поверхневих плазмонів» було повністю проведено в LSU. «Усі автори цього дослідження пов’язані з LSU Physics & Astronomy. У нас навіть є співавтор, який на той час був учнем середньої школи, чим я дуже пишаюся», — сказала Маганья-Лоайза.

На ілюстрації ліворуч показано червоний лазерний промінь, який збуджує плазмонічні хвилі на поверхні металевої (золотої) наноструктури. Потім вони розсіюються щілиною, утворюючи багаточастинкові системи зі специфічними квантовими властивостями. Ці багаточастинкові системи позначені сферами. Наш рукопис описує квантову динаміку, що стоїть за цим процесом.

Це нове дослідження передує «Спостереження модифікації квантової статистики плазмонічних систем» у Nature Communications.