«Это волны, похожие на волны на воде», – сказал Фей, доцент кафедры физики и астрономии Университета штата Айова и сотрудник Университета штата Калифорния.S. Лаборатория Эймса Министерства энергетики. "Это все равно, что уронить камень на поверхность воды и увидеть волны.
Но эти волны являются экситон-поляритонами."
Экситон-поляритоны – это сочетание света и вещества. Как и все квазичастицы, они созданы внутри твердого тела и обладают такими физическими свойствами, как энергия и импульс. В этом исследовании они были запущены путем облучения лазером острого наконечника системы наноизображения, нацеленного на тонкую пластинку диселенида молибдена (MoSe2), слоистого полупроводника, поддерживающего экситоны.
Экситоны могут образовываться, когда свет поглощается полупроводником. Когда экситоны сильно взаимодействуют с фотонами, они создают экситон-поляритоны.
Впервые исследователи сделали снимки экситон-поляритонов в реальном космосе.
Фей сказал, что в прошлых исследовательских проектах использовались спектроскопические исследования для регистрации экситон-поляритонов в виде резонансных пиков или провалов в оптических спектрах. До недавнего времени в большинстве исследований квазичастицы наблюдались только при очень низких температурах – примерно до -450 градусов по Фаренгейту.
Но Фэй и его исследовательская группа работали при комнатной температуре со сканирующим ближнепольным оптическим микроскопом в лаборатории своего кампуса, чтобы получить нанооптические изображения квазичастиц.
«Мы первые, кто показал картину этих квазичастиц и того, как они распространяются, интерферируют и излучают», – сказал Фэй.
Исследователи, например, измерили длину распространения более 12 микрон – 12 миллионных долей метра – для экситон-поляритонов при комнатной температуре.
Фей сказал, что создание экситон-поляритонов при комнатной температуре и их характеристики распространения имеют важное значение для разработки будущих приложений квазичастиц.
Когда-нибудь их можно будет использовать даже для создания нанофотонных схем, которые заменят электронные схемы для передачи энергии или информации в нанометровом масштабе.
Фэй сказал, что нанофотонные схемы с их большой пропускной способностью могут быть до 1 миллиона раз быстрее, чем существующие электрические цепи.
Исследовательская группа во главе с Фэем недавно опубликовала свои выводы в научном журнале Nature Photonics. Первый автор статьи – Фенжуй Ху, научный сотрудник штата Айова, научный сотрудник по физике и астрономии.
Дополнительные соавторы: Илонг Луан, докторант штата Айова в области физики и астрономии; Мари Скотт, недавно окончившая бакалавриат Вашингтонского университета; Цзяцян Янь и Дэвид Мандрус из Окриджской национальной лаборатории и Университета Теннесси; и Сяодун Сюй из Вашингтонского университета.
Работа исследователей была поддержана фондами штата Айова и Лаборатории Эймса для запуска исследовательской программы Фей. W.M.
Фонд Кека из Лос-Анджелеса также частично поддержал создание нанооптических изображений для этого проекта.
Исследователи также узнали, что, изменяя толщину полупроводника MoSe2, они могут управлять свойствами экситон-поляритонов.
Фей, который изучал квазичастицы в графене и других двумерных материалах со времен своей аспирантуры в Калифорнийском университете в Сан-Диего, сказал, что его предыдущая работа открыла двери для исследований экситон-поляритонов.
«Нам необходимо продолжить изучение физики экситон-поляритонов и того, как можно манипулировать этими квазичастицами», – сказал он.
Это может привести к появлению новых устройств, таких как поляритонные транзисторы, сказал Фей. И это может однажды привести к прорыву в фотонных и квантовых технологиях.