„Quantenoptische Antennen“ ermöglichen leistungsfähigere Messungen auf atomarer Ebene

Ähnlich wie eine Radioantenne eine Sendung aus der Luft auffängt und die Energie in einem Lied bündelt, können einzelne Atome die Energie des Lichts sammeln und in einem starken, lokalisierten Signal konzentrieren, das Forscher zum Studium der grundlegenden Bausteine ​​der Materie verwenden können.

Je stärker die Intensitätssteigerung, desto besser die Antenne. Forschern ist es jedoch nie gelungen, die potenziell enormen Intensitätssteigerungen einiger „atomarer Antennen“ in festen Materialien zu nutzen, einfach weil es sich um Festkörper handelte.

„Die meiste Zeit interagieren Atome in Festkörpern mit der Umgebung. Es herrscht viel Unordnung, sie werden durch Phononen erschüttert und sind anderen Störungen ausgesetzt, die die Kohärenz des Signals verringern“, sagte Alex High, Assistenzprofessor an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago.

In ein neues Papier veröffentlicht In NaturphotonikEin multidisziplinäres Team unter der Leitung des High Lab hat dieses Problem gelöst. Sie haben Germanium-Fehlstellenzentren in Diamanten genutzt, um eine optische Energiesteigerung von sechs Größenordnungen zu erreichen, ein Bereich, der mit herkömmlichen Antennenstrukturen nur schwer zu erreichen ist.

Diese millionenfache Energieverstärkung schafft, was in dem Artikel als „beispielhafte“ optische Antenne bezeichnet wird, und stellt ein neues Werkzeug dar, das völlig neue Forschungsbereiche erschließt.

„Das ist nicht nur ein technologischer Durchbruch. Es ist auch ein Durchbruch in der Grundlagenphysik“, sagte PME-Doktorand Zixi Li, Co-Erstautor der Studie. „Obwohl bekannt ist, dass ein angeregter atomarer Dipol ein Nahfeld mit enormer Intensität erzeugen kann, hat dies noch nie jemand in einem Experiment demonstriert.“

Von der Theorie zur Praxis

Die Haupteigenschaft einer optischen Antenne besteht darin, dass sie bei Resonanzanregung einen oszillierenden elektronischen Dipol erzeugt.

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

Das Elektron schwingt, wenn es zwischen einem angeregten Zustand und einem Grundzustand übergeht und konzentriert eine vergleichsweise große Energiemenge, was einen atomaren optischen Dipol in einem Festkörper theoretisch zu einer hervorragenden Antenne macht.

Diese Fähigkeit blieb jedoch theoretisch, da sich die Atome in Festkörpern befanden und dort all den Erschütterungen, Elektroneninterferenzen und dem allgemeinen Rauschen ausgesetzt waren, die durch die Anwesenheit in einer dicht gepackten Struktur entstehen. Farbzentren – kleine Defekte in Diamanten und anderen Materialien mit interessanten Quanteneigenschaften – boten dem Team eine Lösung.

„Etwas, das man in den letzten sieben oder acht Jahren beobachtet hat, ist, dass bestimmte Arten von Farbzentren gegenüber diesen Umwelteinflüssen immun sein können“, sagte High.

Dies eröffne faszinierende Forschungsmöglichkeiten, sagte Co-Autor Darrick Chang vom Institute of Photonic Sciences in Barcelona, ​​Spanien.

„Für mich ist der interessanteste Aspekt eines Farbzentrums nicht nur die Feldverstärkung, sondern auch die Tatsache, dass das emittierte Licht intrinsisch quantenmechanisch ist“, sagte er. „Daher ist es spannend zu überlegen, ob eine ‚quantenoptische Antenne‘ im Vergleich zu einer klassischen optischen Antenne einen anderen Funktionsumfang und andere Arbeitsmechanismen haben kann.“

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 Group der UChicago.

„Die von Alex High initiierte Zusammenarbeit zwischen Theorie, Berechnung und Experimenten hat nicht nur zum Verständnis und zur Interpretation der Kernwissenschaft beigetragen, sondern auch neue Forschungsrichtungen auf der rechnerischen Seite eröffnet“, sagte PME Liew Family Prof. Guilia Galli, eine Co-Autorin des Artikels. „Die Zusammenarbeit war äußerst fruchtbar.“

„Die Magie eines Farbzentrums“

Die Bildgebung auf atomarer Ebene ist eine Kombination aus Verstärkung und Bandbreite – der Signalstärke und der Menge des Signals, das untersucht werden kann. Aus diesem Grund sieht Co-Erstautor Xinghan Guo die neue Technik als Ergänzung zu bestehenden Techniken, nicht als Ersatz für diese.

„Wir bieten eine viel höhere Verstärkung, aber unsere Bandbreite ist schmaler“, sagte Guo, der kürzlich seinen Ph.D. am PME abgeschlossen hat und jetzt Postdoktorand in Yale ist. „Wenn Sie ein sehr selektives Signal haben, das eine schmale Bandbreite hat, aber viel Verstärkung erfordert, können Sie zu uns kommen.“

Die neue Technik bietet neben einem stärkeren Signal noch weitere Vorteile. Während bestehende Techniken wie die Einzelmolekül-Raman- und FRET-Spektroskopie das Signal durch Bestrahlung mit Licht verstärken, benötigt diese Technik zur Aktivierung nur Nanowatt Energie. Das bedeutet ein starkes Signal ohne die Ausbleichung, Erwärmung und Hintergrundfluoreszenz, die durch übermäßiges Licht entsteht.

Im Gegensatz zu herkömmlichen plasmonischen Antennen verlieren die Germanium-Fehlstellenzentren bei ihrer Nutzung außerdem keine Energie.

„Die Magie eines Farbzentrums besteht darin, dass es gleichzeitig punktförmig ist und die Verluste eines plasmonischen Materials vermeidet, wodurch es seine extreme Feldverstärkung beibehalten kann“, sagte Chang.

Für High ist nicht die neue Antennenform das Spannende, sondern die möglichen Entdeckungen, die sie machen werden.

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