Phonon-Enabled Collective Strong Coupling of Color Centers in a Plasmonic Cavity

Per comprendere il lavoro qui descritto, bisogna innanzitutto immaginare i blocchi costruttivi di una futura internet quantistica. Gli scienziati sono alla ricerca di sorgenti di luce minuscole e affidabili che possano trasportare informazioni sotto forma di singole particelle, note come fotoni. Queste sorgenti, spesso chiamate emettitori quantistici, devono essere brillanti e stabili, idealmente funzionando a temperatura ambiente piuttosto che richiedere il freddo estremo di un congelatore da laboratorio. Un candidato promettente per questo ruolo si trova nel nitruro di boro esagonale, un materiale che appare come un singolo strato di grafite ma possiede unici difetti atomici. Questi difetti agiscono come minuscole lampadine che brillano intensamente. Tuttavia, queste lampadine non si limitano a emettere luce; esse vibrano anche con il materiale in cui sono incorporate. Queste vibrazioni, note come fononi, solitamente disperdono l'energia e rendono la luce disordinata. La sfida è stata quella di sfruttare queste vibrazioni invece di combatterle, e di far sì che molte di queste minuscole lampadine comunichino tra loro attraverso un contenitore di luce condiviso, un processo noto come accoppiamento forte.

In uno studio recente, i ricercatori dell'Università di Kiel, in Germania, hanno dimostrato un modo per far interagire fortemente queste sorgenti di luce vibranti con un contenitore di luce, anche a temperatura ambiente. Hanno posizionato scaglie di nitruro di boro esagonale su una superficie d'oro che era stata modellata con minuscoli fori. Questi fori fungono da cavità plasmoniche a vuoto, che sono essenzialmente trappole microscopiche che confinano la luce in uno spazio molto piccolo, rendendo l'intensità della luce estremamente elevata. Il team ha utilizzato due metodi diversi per irradiare energia in queste scaglie: un fascio di elettroni e un fascio di luce laser. Facendo ciò, sono riusciti a osservare come la luce emessa dai difetti cambiasse quando si trovava all'interno della trappola rispetto a quando si trovava all'esterno.

I ricercatori hanno scoperto che la luce emessa dai difetti non diventava semplicemente più luminosa o più debole; cambiava fondamentalmente il suo carattere. All'interno della cavità d'oro, la luce di un tipo specifico di difetto, che brilla naturalmente di blu, ha iniziato a mescolarsi con la luce intrappolata nel foro. Questo mescolamento ha creato un nuovo stato ibrido di luce e materia. La prova più sorprendente di ciò è stata una scissione del colore della luce. Invece di un singolo picco di luce a una specifica lunghezza d'onda, i ricercatori hanno osservato due picchi distinti separati da un intervallo misurabile. Quando hanno usato un fascio di elettroni per eccitare il materiale, questo intervallo misurava 36,24 meV. Quando hanno usato la luce laser, l'intervallo era leggermente più piccolo, pari a 24,09 meV. Questa scissione è il segno distintivo dell'accoppiamento forte, uno stato in cui l'energia passa avanti e indietro tra la sorgente luminosa e la cavità più velocemente di quanto possa essere persa nell'ambiente.

Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente è che la sorgente di luce responsabile di questa forte interazione non era il bagliore principale e diretto del difetto. Si trattava, invece, di una banda laterale di luce creata dalle vibrazioni del difetto. Il difetto emette un colore primario, ma emette anche colori più deboli spostati dall'energia delle sue vibrazioni. I ricercatori hanno scoperto che uno di questi colori vibrazionali, nello specifico il quarto della sequenza per il difetto che emette luce blu, era quello che si era agganciato alla cavità. Questo è significativo perché dimostra che le vibrazioni, spesso viste come un disturbo che rovina gli effetti quantistici, possono effettivamente servire da ponte per creare connessioni forti.

Lo studio ha anche rivelato una affascinante selettività nel modo in cui avvengono queste interazioni. I ricercatori stavano lavorando con un materiale che conteneva due diversi tipi di difetti emettitori di luce. Un tipo brillava di blu a 443 nanometri, e l'altro brillava di verde a 537 nanometers. Anche se il colore principale dell'emettitore verde si sovrapponeva perfettamente alla frequenza naturale della cavità, esso rimaneva debolmente accoppiato e non mostrava alcuna scissione. Era come se la cavità ignorasse completamente la sorgente di luce verde. Al contrario, l'emettitore blu, attraverso la sua banda laterale vibrazionale, formava un legame forte con la cavità. Ciò suggerisce che il modo specifico in cui un difetto vibra determina se può unirsi a questa forte interazione, indipendentemente da quanto bene il suo colore principale si adatti alla cavità.

Per confermare che si trattasse di un effetto collettivo che coinvolgeva molti emettitori piuttosto che un solo difetto fortunato, il team ha eseguito simulazioni al computer. Hanno modellato una rete di centinaia di questi emettitori che interagiscono con la cavità. Le simulazioni hanno mostrato che la forte scissione appariva solo quando erano presenti un gran numero di emettitori che agivano insieme. Se il numero di emettitori veniva ridotto, la scissione scompariva. Ciò indica che la forza dell'interazione deriva dallo sforzo combinato di molti emettitori che lavorano all'unisono, un fenomeno noto come accoppiamento forte collettivo. Il fascio di elettroni utilizzato nell'esperimento è stato particolarmente efficace nell'eccitare molti emettitori contemporaneamente, motivo per cui la scissione era maggiore nelle misurazioni con elettroni rispetto alle misurazioni con laser, dove l'eccitazione era più selettiva.

I ricercatori hanno anche esplorato come lo spessore del materiale e la profondità dei difetti influenzassero i risultati. Variando l'energia del fascio di elettroni, sono stati in grado di sondare diverse profondità all'interno delle sottili scaglie. Hanno scoperto che i difetti emettitori di luce blu si trovavano vicino alla superficie del materiale, mentre i difetti emettitori di luce verde erano distribuiti in tutto il volume. Questa differenza di posizione ha spiegato perché i difetti blu, essendo più vicini alla superficie, potessero interagire più efficacemente con la luce intrappolata nella cavità proprio sotto di loro. I difetti verdi, essendo più profondi all'interno, erano più lontani dalla parte più intensa del campo luminoso e rimanevano quindi in uno stato di accoppiamento debole.

Attraverso una combinazione di microscopia elettronica, spettroscopia laser e modellazione computerizzata dettagliata, lo studio fornisce un quadro chiaro di come luce, materia e vibrazioni possano essere orchestrate per creare nuovi stati quantistici. Il lavoro dimostra che, utilizzando le bande laterali vibrazionali dei difetti, gli scienziati possono accedere a regimi di accoppiamento forte che altrimenti sarebbero impossibili. Questo approccio offre una nuova via per controllare la luce su scala nanometrica, mostrando che le stesse vibrazioni che di solito disturbano i sistemi quantistici possono essere utilizzate per costruirli. I risultati suggeriscono che i futuri dispositivi quantistici potrebbero essere progettati per utilizzare questi percorsi assistiti dai fononi, permettendo interazioni robuste tra luce e materia senza la necessità di un raffreddamento estremo.