„Quantumoptische Antennen“ ermöglichen leistungsfähigere Messungen auf atomarer Ebene

So wie eine Radioantenne eine Luftsendung auffängt und die Energie zu einem Lied bündelt, können einzelne Atome die Lichtenergie sammeln und zu einem starken, lokalisierten Signal bündeln, das Forscher zur Untersuchung der Grundlagen der Materie nutzen können.

Je stärker die Intensitätsverstärkung ist, desto besser ist die Antenne. Aber Forscher konnten die potenziell enormen Intensitätszuwächse bestimmter „Atomantennen“ in festen Materialien nie ausnutzen, nur weil sie fest waren.

„Wenn Atome in Festkörpern vorhanden sind, interagieren sie meistens mit der Umgebung. Es gibt viel Unordnung, sie werden durch Phononen erschüttert und sind anderen Störungen ausgesetzt, die die Kohärenz des Signals verringern“, sagte die Pritzker School of Molecular Ingenieurwesen an der University of Chicago. . Professor Alex High.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Natürliche Photonik, ein multi-institutionelles Team unter der Leitung des High Lab hat dieses Problem gelöst. Sie nutzten Germanium-Fehlstellenzentren in Diamanten, um eine optische Energieverstärkung um sechs Größenordnungen zu erzeugen, ein Regime, das mit herkömmlichen Antennenstrukturen nur schwer zu erreichen ist.

Diese millionenfache Steigerung der Energie schafft eine „vorbildliche“ optische Antenne, wie es in der Arbeit heißt, und stellt ein neues Werkzeug dar, das völlig neue Forschungsbereiche eröffnet.

„Es ist nicht nur ein technologischer Durchbruch. Es ist auch ein Durchbruch in der Grundlagenphysik“, sagte PME-Doktorand Zixi Li, Co-Erstautor des Artikels. „Obwohl bekannt ist, dass ein angeregter Atomdipol ein Quasifeld mit enormer Intensität erzeugen kann, hat dies noch nie jemand in einem Experiment nachgewiesen.“

Von der Theorie zur Praxis

Das Hauptmerkmal einer optischen Antenne besteht darin, dass sie bei Anregung durch Resonanz einen oszillierenden elektronischen Dipol erzeugt.

„Optische Antennen sind im Wesentlichen Strukturen, die mit elektromagnetischen Feldern interagieren und bei bestimmten Resonanzen Licht absorbieren oder emittieren, wie Elektronen, die sich zwischen Energieniveaus in diesen Farbzentren bewegen“, sagte High.

Das Elektron schwingt beim Übergang von einem angeregten Zustand in einen Grundzustand und konzentriert eine relativ enorme Energiemenge, was einen atomaren optischen Dipol in einem Festkörper theoretisch zu einer hervorragenden Antenne macht.

Was diese theoretische Fähigkeit aufrechterhielt, war die Tatsache, dass sich die Atome in Festkörpern befanden und all den Stößen, elektronischen Störungen und dem allgemeinen Rauschen ausgesetzt waren, die dadurch entstehen, dass sie Teil einer dicht gepackten Struktur sind. Farbzentren – kleine Defekte in Diamanten und anderen Materialien mit interessanten Quanteneigenschaften – lieferten dem Team eine Lösung.

„In den letzten sieben oder acht Jahren wurde beobachtet, dass bestimmte Arten von Färbezentren möglicherweise immun gegen diese Umwelteinflüsse sind“, sagte High.

Dies eröffne faszinierende Forschungsmöglichkeiten, sagte Co-Autor Darrick Chang vom Institut für Photonische Wissenschaften in Barcelona, ​​​​Spanien.

„Für mich ist der interessanteste Aspekt eines Farbzentrums nicht nur die Feldverstärkung, sondern auch die Tatsache, dass das emittierte Licht von Natur aus quantenmechanisch ist“, sagte er. „Daher ist es interessant zu fragen, ob eine ‚quantenoptische Antenne‘ im Vergleich zu einer klassischen optischen Antenne möglicherweise andere Funktionalitäten und Arbeitsmechanismen aufweist.“

Doch die Umsetzung dieser Theorie in eine praktikable Antenne erforderte Jahre, die Zusammenarbeit mit Forschern auf der ganzen Welt und die theoretische Anleitung der Galli-Gruppe der UChicago.

„Die von Alex High initiierte Zusammenarbeit zwischen Theorie, Berechnung und Experimenten hat nicht nur zum Verständnis und zur Interpretation der Grundlagenwissenschaften beigetragen, sondern auch neue Forschungslinien auf der rechnerischen Seite eröffnet“, sagte Professorin Guilia Galli, Mitautorin von SME Familie Liew. Auf Papier. „Die Zusammenarbeit war äußerst fruchtbar.“

„Die Magie eines Farbzentrums“

Die Bildgebung auf atomarer Ebene ist eine Kombination aus Verstärkung und Bandbreite: der Stärke des Signals und der Signalmenge, die Sie untersuchen können. Aus diesem Grund sieht Co-Erstautor Xinghan Guo die neue Technik als Ergänzung und nicht als Ersatz für bestehende Techniken.

„Wir bieten eine viel höhere Verstärkung, aber unsere Bandbreite ist geringer“, sagte Guo, der kürzlich seine Doktorarbeit abgeschlossen hat. bei PME und ist jetzt Postdoktorand in Yale. „Wenn Sie ein sehr selektives Signal haben, das eine schmale Bandbreite hat, aber viel Verstärkung erfordert, können Sie uns anrufen.“

Die neue Technik bietet mehr Vorteile als nur ein stärkeres Signal. Während bestehende Techniken wie die Einzelmolekül-Raman-Spektroskopie und die FRET-Spektroskopie das Signal durch Bestrahlen mit Licht verstärken, erfordert diese Technik zur Aktivierung nur Nanowatt Energie. Dies bedeutet ein starkes Signal ohne Bleichung, Erwärmung und Hintergrundfluoreszenz, die durch übermäßiges Licht verursacht werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen plasmonischen Antennen verbrauchen Germanium-VACs während des Betriebs auch keine Energie.

„Die Magie eines Farbzentrums besteht darin, dass es gleichzeitig punktförmig ist und Verluste durch plasmonisches Material vermeidet, sodass es seine extreme Feldverstärkung beibehalten kann“, sagte Chang.

Für High ist nicht die neue Antennenform spannend, sondern die potenziellen Entdeckungen, die sie ermöglichen werden.

„Das Spannende ist, dass dies ein allgemeines Merkmal ist“, sagte High. „Wir können diese Farbzentren in eine Vielzahl von Systemen integrieren und sie dann als lokale Antennen nutzen, um neue Prozesse zu entwickeln, die sowohl neue Geräte bauen als auch uns helfen, zu verstehen, wie das Universum funktioniert.“