Forscher entschlüsseln Licht-Materie-Wechselwirkungen im Sub-Nanometer-Maßstab, was zu „Pikophotonik“ führt

Forscher der Purdue University haben neue Wellen mit pikometerskalierten räumlichen Variationen elektromagnetischer Felder entdeckt, die sich in Halbleitern wie Silizium ausbreiten können. Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Zubin Jacob, Elmore Associate Professor of Electrical and Computer Engineering and Department of Physics and Astronomy, veröffentlichte seine Ergebnisse in Körperliche Überprüfung angewendet in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Picophotonics: Anomalous Atomistic Waves in Silicon“.

„Das Wort mikroskopisch hat seinen Ursprung in der Längenskala eines Mikrometers, das millionenfach kleiner als ein Meter ist. Unsere Arbeit befasst sich mit der Wechselwirkung von Lichtmaterie innerhalb des viel kleineren picoskopischen Bereichs, in dem die diskrete Anordnung von Atomgittern die des Lichts verändert Eigenschaften auf überraschende Weise“, sagt Jacob.

Diese faszinierenden Ergebnisse zeigen, dass natürliche Medien auf atomarer Ebene eine Vielzahl von reichhaltigen Licht-Materie-Wechselwirkungsphänomenen beherbergen. Die Verwendung von pikophotonischen Wellen in Halbleitermaterialien kann Forscher dazu bringen, neue, funktionale optische Geräte zu entwerfen, die Anwendungen in Quantentechnologien ermöglichen.

Die Licht-Materie-Wechselwirkung in Materialien ist von zentraler Bedeutung für mehrere photonische Geräte, von Lasern bis hin zu Detektoren. In den letzten zehn Jahren hat die Nanophotonik, die Untersuchung, wie Licht im Nanometerbereich in technischen Strukturen wie photonischen Kristallen und Metamaterialien fließt, zu wichtigen Fortschritten geführt. Diese bestehende Forschung kann in den Bereich der klassischen Theorie der atomaren Materie eingeordnet werden. Die aktuelle Entdeckung, die zur Picophotonik führte, wurde durch einen großen Sprung nach vorne ermöglicht, indem eine Quantentheorie der atomistischen Reaktion in Materie verwendet wurde. Das Team besteht aus Jacob sowie Dr. Sathwik Bharadwaj, Forschungswissenschaftler an der Purdue University, und Dr. Todd Van Mechelen, ehemaliger Post-Doc an der Purdue University.

Das seit langem bestehende Rätsel auf diesem Gebiet war das fehlende Bindeglied zwischen Atomgittern, ihren Symmetrien und der Rolle, die es auf tief picoskopischen Lichtfeldern spielt. Um dieses Rätsel zu lösen, entwickelte das Theorieteam einen Maxwell-Hamiltonschen Materierahmen in Kombination mit einer Quantentheorie der lichtinduzierten Reaktion in Materialien.

„Dies ist eine entscheidende Veränderung gegenüber der klassischen Behandlung des Lichtflusses in der Nanophotonik“, sagt Jacob. „Die Quantennatur des Verhaltens von Licht in Materialien ist der Schlüssel für die Entstehung pikophotonischer Phänomene.“

Bharadwaj und Kollegen zeigten, dass versteckt inmitten traditionell bekannter elektromagnetischer Wellen neue anomale Wellen im Atomgitter entstehen. Diese Lichtwellen sind selbst innerhalb eines Grundbausteins des Siliziumkristalls (Sub-Nanometer-Längenskala) hochgradig oszillierend.

„Natürliche Materialien selbst haben reiche intrinsische Kristallgittersymmetrien und Licht wird stark von diesen Symmetrien beeinflusst“, sagt Bharadwaj. „Das unmittelbare nächste Ziel ist es, unsere Theorie auf die Fülle von Quanten- und topologischen Materialien anzuwenden und die Existenz dieser neuen Wellen auch experimentell zu verifizieren.“

„Unsere Gruppe ist führend in der Forschung zu elektrodynamischen Feldern im Picoskala innerhalb von Materie auf atomarer Ebene“, sagt Jacob. „Wir haben kürzlich das Picoelektrodynamik-Theorienetzwerk initiiert, in dem wir verschiedene Forscher zusammenbringen, um makroskopische Phänomene zu erforschen, die von mikroskopischen pikoelektrodynamischen Feldern im Inneren der Materie herrühren.“