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

Para compreender o trabalho aqui descrito, deve-se primeiro visualizar os blocos de construção de uma futura internet quântica. Cientistas estão à procura de fontes de luz minúsculas e confiáveis que possam carregar informação como partículas individuais, conhecidas como fotões. Estas fontes, frequentemente chamadas de emissores quânticos, precisam de ser brilhantes e estáveis, idealmente funcionando à temperatura ambiente em vez de exigirem o frio extremo de um congelador de laboratório. Um candidato promissor para este papel é encontrado no nitreto de boro hexagonal, um material que se assemelha a uma camada única de grafite, mas que possui defeitos atómicos únicos. Estes defeitos atuam como pequenas lâmpadas que brilham intensamente. No entanto, estas lâmpadas não apenas emitem luz; elas também vibram com o material onde estão inseridas. Estas vibrações, conhecidas como fonões, normalmente dispersam a energia e tornam a luz desordenada. O desafio tem sido aproveitar estas vibrações em vez de lutar contra elas, e fazer com que muitas destas pequenas lâmpadas comuniquem entre si através de um contentor de luz partilhado, um processo conhecido como acoplamento forte.

Num estudo recente, investigadores da Universidade de Kiel, na Alemanha, demonstraram uma forma de fazer estas fontes de luz vibratórias interagirem fortemente com um contentor de luz, mesmo à temperatura ambiente. Eles colocaram lascas de nitreto de boro hexagonal sobre uma superfície de ouro que tinha sido padronizada com pequenos buracos. Estes buracos atuam como cavidades de vácuo plasmónico, que são, essencialmente, armadilhas microscópicas que confinam a luz num espaço muito pequeno, tornando a intensidade da luz extremamente alta. A equipa utilizou dois métodos diferentes para lançar energia nestas lascas: um feixe de eletrões e um feixe de luz laser. Ao fazê-lo, puderam observar como a luz emitida pelos defeitos mudava quando estavam dentro da armadilha em comparação com quando estavam fora dela.

Os investigadores descobriram que a luz emitida pelos defeitos não se tornou simplesmente mais brilhante ou mais fraca; ela mudou fundamentalmente o seu caráter. Dentro da cavidade de ouro, a luz de um tipo específico de defeito, que naturalmente brilha em azul, começou a misturar-se com a luz aprisionada no buraco. Esta mistura criou um novo estado híbrido de luz e matéria. A evidência mais marcante disto foi um desdobramento da cor da luz. Em vez de um único pico de luz numa determinada largura de banda, os investigadores observaram dois picos distintos separados por uma lacuna mensurável. Quando utilizaram um feixe de eletrões para excitar o material, esta lacuna mediu 36,24 meV. Quando utilizaram luz laser, a lacuna foi ligeiramente menor, com 24,09 meV. Este desdobramento é a marca do acoplamento forte, um estado onde a energia troca de lugar entre a fonte de luz e a cavidade mais rapidamente do que pode ser perdida para o ambiente.

O que torna esta descoberta particularmente surpreendente é que a fonte de luz responsável por esta interação forte não era o brilho principal e direto do defeito. Em vez disso, era uma banda lateral de luz criada pelas vibrações do defeito. O defeito emite uma cor primária, mas também emite cores mais ténues deslocadas pela energia das suas vibrações. Os investigadores descobriram que uma destas cores vibracionais, especificamente a quarta na sequência para o defeito emissor de azul, foi a que se acoplou à cavidade. Isto é significativo porque mostra que as vibrações, frequentemente vistas como um estorvo que estraga os efeitos quânticos, podem na verdade servir como uma ponte para criar conexões fortes.

O estudo também revelou uma seletividade fascinante na forma como estas interações ocorrem. Os investigadores estavam a trabalhar com um material que continha dois tipos diferentes de defeitos emissores de luz. Um tipo brilhava em azul a 443 nanómetros, e o outro brilhava em verde a 537 nanómetros. Mesmo que a cor principal do emissor verde se sobrepusesse perfeitamente com a frequência natural da cavidade, ele permaneceu fracamente acoplado e não mostrou qualquer desdobramento. Era como se a cavidade ignorasse totalmente a fonte de luz verde. Em contraste, o emissor azul, através da sua banda lateral vibracional, formou uma ligação forte com a cavidade. Isto sugere que a forma específica como um defeito vibra determina se ele pode aderir a esta interação forte, independentemente de quão bem a sua cor principal combine com a cavidade.

Para confirmar que este era um efeito coletivo envolvendo muitos emissores e não apenas um defeito sortudo, a equipa realizou simulações computacionais. Eles modelaram uma rede de centenas destes emissores a interagir com a cavidade. As simulações mostraram que o desdobramento forte só aparecia quando um grande número de emissores estava presente e a agir em conjunto. Se o número de emissores fosse reduzido, o desdobramento desaparecia. Isto indica que a força da interação provém do esforço combinado de muitos emissores a trabalhar em uníssono, um fenómeno conhecido como acoplamento forte coletivo. O feixe de eletrões utilizado no experimento foi particularmente eficaz para excitar muitos emissores ao mesmo tempo, razão pela qual o desdobramento foi maior nas medições de eletrões do que nas medições de laser, onde a excitação foi mais seletiva.

Os investigadores também exploraram como a espessura do material e a profundidade dos defeitos influenciaram os resultados. Ao variar a energia do feixe de eletrões, eles puderam sondar diferentes profundidades dentro das finas lascas. Descobriram que os defeitos emissores de azul estavam localizados perto da superfície do material, enquanto os defeitos emissores de verde estavam distribuídos por todo o volume. Esta diferença de localização explicou por que os defeitos azuis, estando mais próximos da superfície, podiam interagir mais eficazmente com a luz aprisionada na cavidade logo abaixo deles. Os defeitos verdes, estando mais profundos no interior, estavam mais afastados da parte mais forte do campo de luz e, por isso, permaneceram num estado de acoplamento fraco.

Através de uma combinação de microscopia eletrónica, espectroscopia de laser e modelagem computacional detalhada, o estudo fornece uma imagem clara de como a luz, a matéria e as vibrações podem ser orquestradas para criar novos estados quânticos. O trabalho demonstra que, ao utilizar as bandas laterais vibracionais dos defeitos, os cientistas podem aceder a regimes de acoplamento forte que poderiam de outra forma ser impossíveis. Esta abordagem oferece um novo caminho para controlar a luz à escala nanométrica, mostrando que as próprias vibrações que normalmente perturbam os sistemas quânticos podem ser usadas para construí-los. As descobertas sugerem que futuros dispositivos quânticos poderiam ser desenhados para utilizar estas vias assistidas por fotões, permitindo interações robustas entre luz e matéria sem a necessidade de um arrefecimento extremo.