Вчені досягли збільшення енергії в алмазних оптичних антенах

Теорія стала практикою, оскільки нова робота Школи молекулярної інженерії Прітцкерівського університету Чикаго виявила дивовижну здатність дефектів алмазу концентрувати оптичну енергію.

Дослідники розробили атомні антени з використанням центрів вакансій германію в алмазах, досягнувши мільйоннократного збільшення оптичної енергії. Цей прогрес дозволяє вивчати фундаментальну фізику та відкриває нові шляхи дослідження. Співпраця між теоретичними та експериментальними групами була важливою для цього прориву.

Атомні антени: використання світла для потужних сигналів

Подібно до того, як радіоантена фіксує трансляцію з повітря та концентрує енергію в музиці, окремі атоми можуть збирати та концентрувати енергію світла в сильний локалізований сигнал, який дослідники можуть використовувати для дослідження основних будівельних блоків матерії.

Чим потужніше посилення інтенсивності, тим краща антена. Проте вченим ніколи не вдавалося виявити потенційно величезне підвищення інтенсивності деяких «атомних антен» у твердих матеріалах просто тому, що вони були твердими.

Подолання викликів твердих матеріалів

«У більшості випадків, коли у вас є атоми у твердих тілах, вони взаємодіють з навколишнім середовищем. Там багато безладу, вони похитуються фононами та стикаються з іншими порушеннями, які знижують когерентність сигналу», — сказав Алекс Хай, доцент Школи молекулярної інженерії Прітцкерівського університету в Чикаго.

У новій статті, опублікованій 7 червня в Nature Photonics, багатоінституційна команда під керівництвом High Lab зламала цю проблему. Вони використали центри вакансій германію в алмазах, щоб створити оптичну енергію збільшення на шість порядків величини, режим, який важко досягти за допомогою звичайних структур антени.

Новаторські оптичні антени з діамантами

Це збільшення енергії в мільйон разів створює те, що в статті називають «зразковою» оптичною антеною, і забезпечує новий інструмент, що відкриває абсолютно нові сфери досліджень.

«Це не просто прорив у технологіях. Це також прорив у фундаментальній фізиці», – сказав кандидат PME PhD Zixi Li, співавтор статті. «Хоча добре відомо, що збуджений атомний диполь може генерувати майже поле з величезною інтенсивністю, ніхто ніколи не демонстрував цього в експерименті раніше».

Від теорії до практики: створення оптичних антен

Основною особливістю оптичної антени є те, що вона створює коливальний електронний диполь при резонансному збудженні.

«Оптичні антени — це в основному структури, які взаємодіють з електромагнітними полями та поглинають або випромінюють світло при певних резонансах, як електрони, що рухаються між рівнями енергії в цих центрах кольору», — сказав Хай.

Електрон коливається, коли він переходить між збудженим станом і основним станом, і концентрує порівняно величезну кількість енергії, що робить атомний оптичний диполь у твердому тілі чудовою антеною – теоретично.

«Це не просто прорив у технологіях. Це також прорив у фундаментальній фізиці».

— Кандидат PhD Zixi Li Прітцкерівської школи молекулярної інженерії UChicago

Вирішення проблем у твердотільних атомах

Теоретичну здатність зберігав той факт, що атоми перебували у твердих тілах, підданих усій штовханині, електронній інтерференції та загальному шуму, який виникає через те, що вони є частиною щільно упакованої структури. Центри забарвлення – невеликі дефекти в алмазах та інших матеріалах з цікавими квантовими властивостями – дали команді рішення.

«Останні сім-вісім років спостерігалося те, що певні типи центрів кольору можуть бути несприйнятливими до впливу навколишнього середовища», — сказав Хай.

Потенціал квантово-механічного випромінювання світла

Це відкриває інтригуючі дослідницькі можливості, сказав співавтор Даррік Чанг з Інституту фотонних наук у Барселоні, Іспанія.

«Для мене найцікавішим аспектом центру кольору є не тільки посилення поля, але й той факт, що випромінюване світло є квантово-механічним за своєю суттю», — сказав він. «Це робить інтригуючим розгляд того, чи може «квантова оптична антена» мати інший набір функцій і робочих механізмів порівняно з класичною оптичною антеною».

Співпраця прокладає шлях до інновацій

Але для того, щоб перетворити цю теорію на практичну антену, знадобилися роки, співпраця з дослідниками з усього світу та теоретичне керівництво Galli Group з Університету Чикаго.

«Співпраця між теорією, обчисленнями та експериментами, започаткована Алексом Хай, не тільки сприяла розумінню та інтерпретації основної науки, але й відкрила нові напрямки досліджень з обчислювальної сторони», — сказав PME Liew Family професор Гілія Галлі, співавтор на папері. «Співпраця була надзвичайно плідною».

«Магія кольорового центру»

Зображення на атомарному рівні – це комбінація підсилення та пропускної здатності – потужності сигналу та кількості сигналу, який можна вивчити. Через це співавтор Xinghan Guo вважає нову техніку доповненням до існуючих, а не заміною.

«Ми пропонуємо набагато більше підсилення, але наша смуга пропускання вужча», — сказав Гуо, який нещодавно захистив докторську дисертацію в PME і зараз працює докторантом в Єльському університеті. «Якщо у вас є дуже вибірковий сигнал, який має вузьку смугу пропускання, але потребує значного посилення, ви можете прийти до нас».

Переваги нових методів

Нова техніка пропонує інші переваги, ніж просто більш потужний сигнал. Хоча існуючі методи, такі як одномолекулярна Раманівська спектроскопія та спектроскопія FRET, підсилюють сигнал, освітлюючи його світлом, для активації цієї методики потрібні лише нановати енергії. Це означає сильний сигнал без відбілювання, нагрівання та фонової флуоресценції, які створює надмірне світло.

Центри вакансій германію також не розсіюють енергію під час їх використання, на відміну від звичайних плазмонних антен.

«Магія колірного центру полягає в тому, що він одночасно є точковим і уникає втрат плазмонного матеріалу, що дозволяє йому зберегти екстремальне посилення поля», — сказав Чанг.

Майбутні відкриття з оптичними антенами

Для Хай найцікавішим є не нова форма антени, а потенційні відкриття, які вони зроблять.

«Що цікаво, так це те, що це загальна функція», — сказав Хай. «Ми можемо інтегрувати ці центри кольорів у величезну кількість систем, а потім використовувати їх як локальні антени для розвитку нових процесів, які створюють нові пристрої та допомагають нам зрозуміти, як працює Всесвіт».