اپتیک و کوانتوم

در حالی‌که تحقیقات قبلی در این زمینه عمدتاً بر روی رفتارهای جمعی سیستم‌های پلاسمونیک متمرکز شده است، گروه LSU یک رویکرد متمایز را اتخاذ کردند. آنها با مشاهده امواج پلاسمونیک به عنوان یک پازل، توانستند زیرسیستم‌های چند ذره ای را جدا کنند یا پازل را به قطعات تجزیه کنند. این به تیم اجازه داد تا ببیند چگونه قطعات مختلف با هم کار ‌می‌کنند و تصویر متفاوتی در مورد رفتارهای جدید برای پلاسمون‌های سطحی را نشان داد. پلاسمون‌ها امواجی هستند که در امتداد سطح فلزات حرکت ‌می‌کنند، این امواج کوچک در مقیاس نانومتری عمل ‌می‌کنند و آنها را در زمینه‌هایی مانند فناوری نانو و اپتیک حیاتی ‌می‌کند. رایلی داوکینز، دانشجوی فارغ التحصیل و یکی از همکاران توضیح داد: «آنچه دریافتیم این است که اگر به زیرسیستم‌های کوانتومی امواج پلاسمونیک نگاه کنیم، می‌توانیم الگوهای معکوس، الگوهای واضح‌تر و تداخل مخالف را ببینیم که کاملاً مخالف رفتار کلاسیک است.» گروه کوانتومی LSU با استفاده از نوری که نانوساختار طلا را هدف قرار داده و رفتار نور پراکنده شده را مشاهده کرد، مشاهده کرد که پلاسمون‌های سطحی ‌می‌توانند ویژگی‌های بوزون‌ها و فرمیون‌ها را که ذرات اساسی در فیزیک کوانتومی هستند، نشان دهند. این بدان معناست که زیرسیستم‌های کوانتومی بسته به شرایط خاص می‌توانند رفتارهای غیرکلاسیک مانند حرکت در جهات مختلف از خود نشان دهند. یکی از پیامدهای این نتایج این است که با درک این ویژگی‌های بنیادی امواج پلاسمونیک و مهم‌تر از همه، این رفتار جدید، می‌توان فناوری‌های کوانتومی حساس‌تر و قوی‌تری را توسعه داد.

در حال حاضر، محققان در تلاشند تا این اصول را در سیستم‌های پلاسمونیک ادغام کنند تا حسگرهایی با حساسیت و دقت بالا ایجاد کنند. این پیشرفت در زمینه‌های مختلف، از جمله تشخیص پزشکی، شبیه سازی توسعه دارو، نظارت بر محیط زیست، و علم اطلاعات کوانتومی، نوید قابل توجهی دارد. این مطالعه قرار است تأثیر قابل توجهی در زمینه پلاسمونیک کوانتومی بگذارد، زیرا محققان در سراسر جهان از یافته‌های شبیه‌سازی‌های کوانتومی استفاده خواهند کرد. چنگ لانگ یو، استادیار پژوهش و نویسنده مسئول، گفت: «یافته‌های ما نه تنها این رفتار جالب جدید در سیستم‌های کوانتومی را آشکار می‌کند، بلکه این سیستم کوانتومی پلاسمونیک با بیشترین تعداد ذرات است و این به تنهایی فیزیک کوانتومی را به سطح دیگری ارتقا می‌دهد».

علیرغم پیچیدگی‌های سیستم‌های پلاسمونیک کوانتومی، هونگ خاطرنشان کرد که چالش‌های اصلی او در طول آزمایش‌ها اختلالات بیرونی بود. ارتعاشات ناشی از منابع مختلف، به دلیل حساسیت بسیار زیاد نمونه پلاسمونیک، چالش مهمی را به وجود آورد. با این وجود، ما در نهایت موفق شدیم خواص کوانتومی را از امواج پلاسمونیک استخراج کنیم، پیشرفتی که فناوری‌های حساس کوانتومی را تقویت می‌کند. این دستاورد می‌تواند فرصت‌های جدیدی را برای شبیه‌سازی‌های کوانتومی آینده باز کند.

Mingyuan Hong et al, Nonclassical near-field dynamics of surface plasmons, Nature Physics 2024