Физики открыли новые фундаментальные характеристики плазмонов. Это прорыв в квантовой физике

Квантовые исследователи открыли важные последствия для квантовых технологий. В недавней публикации в журнале Nature Physics группа квантовой фотоники LSU предлагает свежий взгляд на фундаментальные характеристики поверхностных плазмонов, бросая вызов существующему пониманию. Эти новые открытия, основанные на экспериментальных и теоретических исследованиях, проведенных в лаборатории доцента Омара Маганья-Лоайсы, — значительный прогресс в квантовой плазмонике.

Хотя предыдущие исследования в этой области в основном были сосредоточены на коллективном поведении плазмонных систем, группа LSU придерживалась особого подхода. Рассматривая плазмонные волны как головоломку, они смогли изолировать многочастичные подсистемы и разбить ее на части. Это позволило команде увидеть, как разные части работают вместе, и выявило другую картину — новое поведение поверхностных плазмонов.

Плазмоны — это волны, которые движутся по поверхности металлов, когда свет взаимодействует с колебаниями заряда. Подобно тому как бросание камешков в воду создает рябь, плазмоны — это «рябь», движущаяся по металлическим поверхностям. Эти мельчайшие волны действуют в нанометровом масштабе, что делает их решающими в таких областях, как нанотехнологии и оптика.

«Мы обнаружили, что если мы посмотрим на квантовые подсистемы плазмонных волн, то сможем увидеть обратные закономерности, более резкие закономерности и противоположную интерференцию, которая полностью противоположна классическому поведению», — объяснил Райли Докинз, аспирант, соавтор и первый автор, руководивший теоретическим исследованием.

Используя свет, направленный на наноструктуру золота, и наблюдая за поведением рассеянного света, квантовая группа LSU обнаружила, что поверхностные плазмоны могут проявлять характеристики как бозонов, так и фермионов, которые являются фундаментальными частицами в квантовой физике. Это означает, что квантовые подсистемы могут демонстрировать неклассическое поведение, например двигаться в разных направлениях в зависимости от конкретных условий.

«Представьте, что вы едете на велосипеде. Вы могли бы поверить, что большинство ваших атомов движутся в том же направлении, что и велосипед. И это верно для большинства из них. Но на самом деле некоторые атомы движутся в противоположном направлении, — объяснил Маганья-Лоаиса. — Одним из последствий этих результатов является то, что, понимая эти фундаментальные свойства плазмонных волн, можно разработать более чувствительные и надежные квантовые технологии, а это наиболее важно».

В 2007 году использование плазмонных волн для обнаружения сибирской язвы послужило толчком к исследованиям по использованию квантовых принципов для улучшения сенсорных технологий. В настоящее время исследователи стремятся интегрировать эти принципы в плазмонные системы для создания сенсоров с повышенной чувствительностью и точностью. Это достижение имеет значительные перспективы в различных областях, включая медицинскую диагностику, моделирование разработки лекарств, мониторинг окружающей среды и квантовую информатику.

Исследование может оказать существенное влияние на область квантовой плазмоники, поскольку исследователи во всем мире будут использовать полученные результаты для квантового моделирования. Чэнлун Ю, доцент-исследователь и автор-корреспондент, подчеркнул: «Наши результаты не только раскрывают это интересное новое поведение в квантовых системах, но и представляют собой квантовую плазмонную систему с самым большим за всю историю числом частиц, и одно это поднимает квантовую физику до нового уровня».

Аспирант и соавтор Мингюань Хун возглавил экспериментальную фазу исследования. Несмотря на сложность систем квантовой плазмоники, Хонг отметил, что его основными проблемами во время экспериментов были внешние возмущения. «Вибрации от различных источников, таких как дорожное строительство, представляли собой серьезную проблему из-за чрезвычайной чувствительности образца плазмы. Тем не менее в конечном итоге нам удалось извлечь квантовые свойства из плазмонных волн — прорыв, который расширяет возможности чувствительных квантовых технологий. Это достижение может открыть новые возможности для будущего квантового моделирования» — говорит Хонг.

Тепло — враг квантовой неопределенности. Упорядочив поглощающие свет молекулы, физики из Японии сохранили критическое, еще не определенное состояние спинов электронов в течение 100 наносекунд при комнатной температуре. Эта инновация может оказать огромное влияние на прогресс в разработке квантовых технологий, которые не будут зависеть от громоздкого и дорогостоящего охлаждающего оборудования, необходимого в настоящее время для поддержания частиц в так называемой когерентной форме.