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

Om het werk dat hier wordt beschreven te begrijpen, moet men eerst de bouwstenen van een toekomstig kwantuminternet voorstellen. Wetenschappers zoeken naar minuscule, betrouwbare lichtbronnen die informatie kunnen dragen als individuele deeltjes, bekend als fotonen. Deze lichtbronnen, vaak kwantumemittenten genoemd, moeten helder en stabiel zijn, bij voorkeur werkend op kamertemperatuur in plaats van de extreme kou van een laboratoriumvriezer te vereisen. Een veelbelovende kandidaat voor deze rol wordt gevonden in hexagonaal boornitride, een materiaal dat lijkt op een enkele laag grafiet maar unieke atomaire defecten bezit. Deze defecten fungeren als kleine gloeilampjes die helder oplichten. Deze gloeilampjes zenden echter niet alleen licht uit; ze trillen ook met het materiaal waarin ze zijn ingebed. Deze trillingen, bekend als fononen, verstrooien gewoonlijk energie en maken het licht rommelig. De uitdaging is geweest om deze trillingen te benutten in plaats van er tegen te vechten, en om veel van deze kleine gloeilampjes met elkaar te laten communiceren via een gedeelde container van licht, een proces dat sterke koppeling wordt genoemd.

In een recente studie hebben onderzoekers aan de Universiteit van Kiel in Duitsland een manier gedemonstreerd om deze trillende lichtbronnen sterk te laten interageren met een container van licht, zelfs op kamertemperatuur. Ze plaatsten vlokken van hexagonaal boornitride op een goudoppervlak dat was voorzien van minuscule gaatjes. Deze gaatjes fungeren als plasmonische holte-caviteiten, wat in essentie microscopische vallen zijn die licht in een zeer kleine ruimte opsluiten, waardoor de lichtintensiteit extreem hoog wordt. Het team gebruikte twee verschillende methoden om energie in deze vlokken te stralen: een elektronenstraal en een laserstraal. Door dit te doen, konden ze observeren hoe het licht dat door de defecten werd uitgezonden veranderde wanneer het zich binnen de val bevond vergeleken met wanneer het zich erbuiten bevond.

De onderzoekers ontdekten dat het licht dat door de defecten werd uitgezonden niet simpelweg helderder of zwakker werd; het veranderde fundamenteel van karakter. Binnen de gouden caviteit begon het licht van één specif kind type defect, dat van nature blauw licht geeft, te mengen met het licht dat in het gat gevangen zat. Deze menging creëerde een nieuwe, hybride staat van licht en materie. Het meest opvallende bewijs hiervan was een splitsing van de kleur van het licht. In plaats van een enkele piek van licht bij een specifieke golflengte, observeerden de onderzoekers twee duidelijke pieken die gescheiden werden door een meetbare kloof. Wanneer ze een elektronenstraal gebruikten om het materiaal te exciteren, bedroeg deze kloof 36,24 meV. Wanneer ze laserlicht gebruikten, was de kloof iets kleiner, namelijk 24,09 meV. Deze splitsing is het kenmerk van sterke koppeling, een toestand waarin de energie sneller heen en weer wisselt tussen de lichtbron en de caviteit dan dat deze verloren kan gaan aan de omgeving.

Wat deze bevinding bijzonder verrassend maakt, is dat de lichtbron die verantwoordelijk was voor deze sterke interactie niet de belangrijkste, directe gloed van het defect was. In plaats daarvan was het een zijband van licht, gecreëerd door de trillingen van het defect. Het defect zendt een primaire kleur uit, maar zendt ook zwakkere kleuren uit die verschoven zijn door de energie van zijn trillingen. De onderzoekers ontdekten dat een van deze vibrationele kleuren, specifiek de vierde in de reeks voor het blauw uitstralende defect, degene was die met de caviteit vergrendelde. Dit is significant omdat het aantoont dat trillingen, die vaak worden gezien als een overlast die kwantumeffecten verstoort, daadwerkelijk kunnen dienen als een brug om sterke verbindingen te creëren.

De studie onthulde ook een fascinerende selectiviteit in hoe deze interacties plaatsvinden. De onderzoekers werkten met een materiaal dat twee verschillende soorten lichtgevende defecten bevatte. Eén type straalde blauw uit bij 443 nanometer, en het andere straalde groen uit bij 537 nanometer. Hoewel de hoofdkleur van de groene emittent perfect overlapte met de natuurlijke frequentie van de caviteit, bleef deze zwak gekoppeld en vertoonde geen enkele splitsing. Het was alsof de caviteit de groene lichtbron volledig negeerde. In tegenstelling hiertoe vormde de blauwe emittent, via zijn vibrationele zijband, een sterke band met de caviteit. Dit suggereert dat de specifieke manier waarop een defect trilt bepaalt of het kan deelnemen aan deze sterke interactie, ongeacht hoe goed de hoofdkleur overeenkomt met de caviteit.

Om te bevestigen dat dit een collectief effect was waarbij veel emittenten betrokken waren in plaats van slechts één gelukkig defect, voerde het team computersimulaties uit. Ze modelleerden een netwerk van honderden van deze emittenten die interageren met de caviteit. De simulaties toonden aan dat de sterke splitsing alleen verscheen wanneer een groot aantal emittenten aanwezig was en samenwerkte. Als het aantal emittenten werd verminderd, verdween de splitsing. Dit wijst erop dat de kracht van de interactie voortkomt uit de gezamenlijke inspanning van vele emittenten die in unison werken, een fenomeen dat collectieve sterke koppeling wordt genoemd. De elektronenstraal die in het experiment werd gebruikt, was bijzonder effectief in het tegelijkertijd exciteren van veel emittenten, wat verklaart waarom de splitsing groter was in de elektronische metingen dan in de laser-metingen, waar de excitatie selectiever was.

De onderzoekers verkenden ook hoe de dikte van het materiaal en de diepte van de defecten de resultaten beïnvloedden. Door de energie van de elektronenstraal te variëren, konden ze verschillende dieptes binnen de dunne vlokken onderzoeken. Ze ontdekten dat de blauw uitstralende defecten zich nabij het oppervlak van het materiaal bevonden, terwijl de groen uitstralende defecten over het gehele volume verdeeld waren. Dit verschil in locatie verklaarde waarom de blauwe defecten, omdat ze dichter bij het oppervlak lagen, effectiever konden interageren met het licht dat net onder hen in de caviteit gevangen zat. De groene defecten, die dieper in het materiaal zaten, waren verder verwijderd van het sterkste deel van het lichtveld en bleven daarom in een staat van zwakke koppeling.

Door een combinatie van elektronenmicroscopie, laserspectroscopie en gedetailleerde computermodellering biedt de studie een duidelijk beeld van hoe licht, materie en trillingen georkestreerd kunnen worden om nieuwe kwantumtoestanden te creëren. Het werk demonstreert dat door de vibrationele zijbanden van defecten te gebruiken, wetenschappers toegang kunnen krijgen tot regimes van sterke koppeling die anders misschien onmogelijk zouden zijn. Deze aanpak biedt een nieuwe weg om licht op nanoschaal te controleren, waarbij wordt aangetoond dat de trillingen die normaal gesproken kwantumsystemen verstoren, juist kunnen worden gebruikt om ze op te bouwen. De bevindingen suggereren dat toekomstige kwantumapparaten zo ontworpen kunnen worden dat ze gebruikmaken van deze phonon-geassisteerde paden, wat robuuste interacties tussen licht en materie mogelijk maakt zonder de noodzaak van extreme koeling.