Forscher der National University of Singapore und ihre Mitarbeiter haben ein neuartiges Konzept namens „überkritische Kopplung“ vorgestellt, das eine mehrfache Steigerung der Photonen-Upconversion-Effizienz ermöglicht. Diese Entdeckung stellt nicht nur bestehende Paradigmen in Frage, sondern eröffnet auch eine neue Richtung bei der Kontrolle der Lichtemission.
Die Photonen-Upconversion, der Prozess der Umwandlung niederenergetischer Photonen in energiereichere Photonen, ist eine entscheidende Technik mit breiten Anwendungsmöglichkeiten, die von hochauflösender Bildgebung bis hin zu fortschrittlichen photonischen Geräten reicht. Trotz erheblicher Fortschritte stand die Suche nach einer effizienten Photonen-Upconversion vor Herausforderungen, da die Bestrahlungsstärke Lanthanoid-dotierter Nanopartikel inhärenter Natur ist und die kritischen Kopplungsbedingungen optischer Resonanzen bestehen.
Das Konzept der „überkritischen Kopplung“ spielt bei der Bewältigung dieser Herausforderungen eine zentrale Rolle. Dieser grundlegend neue Ansatz, der von einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Liu Xiaogang vom Fachbereich Chemie der NUS und seinem Mitarbeiter Dr. Gianluigi Zito vom Nationalen Forschungsrat Italiens vorgeschlagen wurde, nutzt die Physik „gebundener Zustände im Kontinuum“ ( BICs).
BICs sind Phänomene, die es ermöglichen, Licht in offenen Strukturen mit theoretisch unendlicher Lebensdauer einzufangen und dabei die Grenzen der kritischen Kopplung zu überschreiten. Diese Phänomene unterscheiden sich vom üblichen Verhalten von Licht.
Durch die Manipulation der Wechselwirkung zwischen dunklen und hellen Moden innerhalb dieser Strukturen, ähnlich dem klassischen Analogon der elektromagnetisch induzierten Transparenz, verstärkten die Forscher nicht nur das lokale optische Feld, sondern kontrollierten auch präzise die Richtung der Lichtemission.
Ihre Erkenntnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Natur.
Die experimentelle Validierung der überkritischen Kopplung stellt einen bedeutenden Fortschritt dar und zeigt einen Anstieg der Upconversion-Lumineszenz um acht Größenordnungen. Der Versuchsaufbau umfasst eine photonische Kristall-Nanoplatte, die mit Aufkonvertierungs-Nanopartikeln bedeckt ist. Diese Nanopartikel dienen als Mikroquellen und Laser.
Die einzigartigen Eigenschaften von BICs, die sich durch eine vernachlässigbare Lichtstreuung und mikroskalige Abmessungen der Lichtpunkte auszeichnen, wurden genutzt, um eine präzise Fokussierung und Richtungssteuerung des emittierten Lichts zu erreichen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Steuerung des Lichtzustands.
Prof. Liu sagte: „Dieser Durchbruch ist nicht nur eine grundlegende Entdeckung, sondern stellt einen Paradigmenwechsel auf dem Gebiet der Nanophotonik dar und verändert unser Verständnis der Lichtmanipulation auf der Nanoskala. Die Auswirkungen der überkritischen Kopplung gehen über die Photonen-Upconversion hinaus und bieten potenzielle Fortschritte in der Quantenphysik.“ Photonik und verschiedene Systeme basierend auf gekoppelten Resonatoren.
„Während sich die Forschungsgemeinschaft mit den Auswirkungen dieser Arbeit auseinandersetzt, steht die Tür für eine Zukunft offen, in der Licht, eines der grundlegendsten Elemente unseres Universums, mit beispielloser Präzision und Effizienz kontrolliert werden kann“, fügte Prof. Liu hinzu.
Mehr Informationen:
Chiara Schiattarella et al., Direktive Riesenaufwärtskonversion durch überkritisch gebundene Zustände im Kontinuum, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06967-9