Quebrando fronteiras na fotônica quântica:Novas nanocavidades abrem novas fronteiras no confinamento da luz
Renderização 3D de 4 cavidades poalritônicas de diferentes tamanhos. Crédito:Matteo Ceccanti Num avanço significativo para a nanofotónica quântica, uma equipa de físicos europeus e israelitas introduziu um novo tipo de cavidades polaritónicas e redefiniu os limites do confinamento da luz. Este trabalho pioneiro, detalhado em um estudo publicado na Nature Materials , demonstra um método não convencional para confinar fótons, superando as limitações tradicionais da nanofotônica.
Os físicos há muito procuram maneiras de forçar os fótons a volumes cada vez menores. A escala de comprimento natural do fóton é o comprimento de onda e quando um fóton é forçado para dentro de uma cavidade muito menor que o comprimento de onda, ele efetivamente se torna mais “concentrado”. Essa concentração aumenta as interações com os elétrons, amplificando os processos quânticos dentro da cavidade.
No entanto, apesar do sucesso significativo no confinamento da luz em volumes profundos de subcomprimentos de onda, o efeito da dissipação (absorção óptica) continua a ser um grande obstáculo. Os fótons em nanocavidades são absorvidos muito rapidamente, muito mais rápido que o comprimento de onda, e essa dissipação limita a aplicabilidade das nanocavidades a algumas das aplicações quânticas mais interessantes.
O grupo de pesquisa do Prof. Frank Koppens do ICFO em Barcelona, Espanha, abordou esse desafio criando nanocavidades com uma combinação incomparável de volume de subcomprimento de onda e vida útil prolongada. Essas nanocavidades, medindo menos de 100x100nm² em área e apenas 3nm de espessura, confinam a luz por períodos significativamente mais longos. A chave está no uso de polaritons de fônons hiperbólicos, excitações eletromagnéticas únicas que ocorrem no material 2D que forma a cavidade. Esboço de uma nanocavidade (vista em corte transversal) e da ponta do campo próximo, sobreposto à distribuição de campo simulada em forma de raio dos modos de cavidade. Crédito:Matteo Ceccanti Ao contrário de estudos anteriores sobre cavidades baseadas em fônons polaritons, este trabalho utiliza um mecanismo de confinamento novo e indireto. As nanocavidades são criadas perfurando furos em nanoescala em um substrato de ouro com a precisão extrema (2-3 nanômetros) de um microscópio de feixe de íons focado em He. Depois de fazer os furos, o nitreto de boro hexagonal (hBN), um material 2D, é transferido para cima.
O hBN suporta excitações eletromagnéticas chamadas polaritons de fótons hiperbólicos, que são semelhantes à luz comum, exceto que podem ser confinadas a volumes extremamente pequenos. Quando os polaritons passam acima da borda do metal, eles sofrem uma forte reflexão, o que permite que sejam confinados. Este método evita, assim, moldar o hBN diretamente e preserva sua qualidade original, permitindo fótons altamente confinados e de longa duração na cavidade.
Esta descoberta começou com uma observação casual feita durante um projeto diferente enquanto usava um microscópio óptico de campo próximo para escanear estruturas de materiais 2D. O microscópio de campo próximo permite excitar e medir polaritons na faixa do infravermelho médio do espectro e os pesquisadores notaram um reflexo incomumente forte desses polaritons na borda metálica. Esta observação inesperada desencadeou uma investigação mais profunda, levando à compreensão do mecanismo único de confinamento e à sua relação com a formação de nanoraios. Impressão artística de uma nanocavidade e do campo dentro dela. Crédito:Matteo Ceccanti Porém, ao confeccionar e medir as cavidades, a equipe teve uma grande surpresa. "As medições experimentais são geralmente piores do que a teoria sugere, mas, neste caso, descobrimos que os experimentos superaram as previsões teóricas simplificadas e otimistas", disse o primeiro autor, Dr. Hanan Herzig Sheinfux, do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan. “Este sucesso inesperado abre portas para novas aplicações e avanços na fotônica quântica, ultrapassando os limites do que pensávamos ser possível.”
Dr. Herzig Sheinfux conduziu a pesquisa com o Prof. Koppens durante seu período de pós-doutorado no ICFO. Ele pretende usar essas cavidades para ver efeitos quânticos que antes eram considerados impossíveis, bem como para estudar mais a fundo a física intrigante e contra-intuitiva do comportamento hiperbólico do polariton do fônon.
Mais informações: Hanan Herzig Sheinfux et al, Nanocavidades de alta qualidade através do confinamento multimodal de polaritons hiperbólicos em nitreto de boro hexagonal, Nature Materials (2024). doi:10.1038/s41563-023-01785-w, www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w Informações do diário: Materiais Naturais
