اپتیک و کوانتوم

هرچه افزایش شدت بیشتر باشد، عملکرد آنتن بهتر است. اما محققان هرگز نتوانسته‌اند از افزایش شدت بالقوه برخی از «آنتن‌های اتمی» در مواد جامد صرفاً به این دلیل که جامد بودند، استفاده کنند. پروفسور الکس از دانشکده مهندسی مولکولی UChicago Pritzker گفتند: "بیشتر اوقات زمانی که شما اتم ها را در جامدات دارید، آنها با محیط برهمکنش دارند. بی نظمی زیادی وجود دارد، آنها با فونون ها و اختلالات دیگری مواجه می شوند که همدوسی سیگنال را کاهش می دهد."

در مقاله جدیدی که در Nature Photonics منتشر شده است، یک تیم چند موسسه به رهبری High Lab این مشکل را حل کرده است. آنها از مراکز خالی ژرمانیوم در الماس برای ایجاد یک افزایش انرژی نوری با اندازه شش مرتبه بزرگتر استفاده کرده اند، رژیمی که رسیدن به آن با ساختارهای آنتن معمولی چالش برانگیز است. این افزایش انرژی میلیون برابری چیزی را ایجاد می کند که مقاله آنتن نوری "نمونه ای" می نامند و ابزار جدیدی را فراهم می کند که زمینه های تحقیقاتی کاملاً جدیدی را باز می کند.

PME Ph.D. نامزد زیکسی لی، نویسنده اول مقاله: "در حالی که به خوبی شناخته شده است که یک دوقطبی اتمی برانگیخته می تواند یک لایه نزدیک با شدت بسیار زیاد ایجاد کند، هیچ کس قبلاً این را در آزمایشی نشان نداده است." ویژگی اصلی یک آنتن نوری این است که هنگام تحریک در رزونانس، یک دوقطبی الکترونیکی نوسانی ایجاد می کند.

الکس گفت: «آنتن‌های نوری اساساً ساختارهایی هستند که با میدان‌های الکترومغناطیسی برهمکنش دارند و نور را در رزونانس‌های خاصی جذب یا منتشر می‌کنند، مانند الکترون‌هایی که بین سطوح انرژی در این مراکز رنگی حرکت می‌کنند. هنگامی که الکترون بین حالت برانگیخته و حالت پایه تغییر می کند، نوسان می کند و مقدار نسبتاً عظیمی از انرژی را متمرکز می کند و از نظر تئوری، یک دوقطبی نوری اتمی را در یک جامد به یک آنتن عالی تبدیل می کند.

چیزی که این توانایی را تئوری نگه می‌داشت این واقعیت بود که اتم‌ها در جامد بودند، در معرض تمام تکان‌ها، تداخل الکترون‌ها و نویز کلی که از بخشی از یک ساختار فشرده به دست می‌آیند. مراکز رنگ - نقص های کوچک در الماس و سایر مواد با خواص کوانتومی جالب - راه حلی را در اختیار تیم قرار داد.

high افزودند: "چیزی که در هفت یا هشت سال گذشته مشاهده شده است این است که انواع خاصی از مراکز رنگی می توانند از این اثرات محیطی مصون باشند." Darrick Chan از مؤسسه علوم فوتونیک در بارسلون اسپانیا گفت که این فرصت های تحقیقاتی جالبی را باز می کند. او گفت: "برای من، جالب ترین جنبه یک مرکز رنگ فقط افزایش میدان نیست، بلکه این واقعیت است که نور ساطع شده ذاتا مکانیکی کوانتومی است." این موضوع باعث می‌شود که بررسی کنیم که آیا یک آنتن نوری کوانتومی می‌تواند مجموعه‌ای از عملکردها و مکانیزم‌های کاری متفاوتی در مقایسه با یک آنتن نوری کلاسیک داشته باشد یا خیر. اما تبدیل این نظریه به یک آنتن عملی، همکاری با محققان در سراسر جهان و راهنمایی‌های نظری گروه گالی شیکاگو، سال‌ها طول کشید.

پروفسور گیلیا گالی، یکی از نویسندگان، گفت: همکاری بین تئوری، محاسبات و آزمایش‌ها که توسط الکس هیو آغاز شد، نه تنها به درک و تفسیر علم اصلی کمک کرد، بلکه خطوط جدیدی از تحقیقات را در بخش محاسباتی باز کرد.» تصویربرداری در سطح اتمی ترکیبی از تقویت و پهنای باند است - قدرت سیگنال و میزان سیگنالی که می توانید مطالعه کنید. به همین دلیل، Xinghan Guo یکی از نویسندگان این تکنیک جدید را مکمل تکنیک های موجود می داند نه جایگزین آن.

More information: Zixi Li et al, Atomic optical antennas in solids, Nature Photonics (2024)