מדענים משיגים שיפור אנרגיה פי מיליון באנטנות אופטיות של יהלום

ניקולס

מדענים משיגים שיפור אנרגיה פי מיליון באנטנות אופטיות של יהלום

אנטנות אטומיות המשתמשות ביהלומים משפרות את האנרגיה האופטית פי מיליון, מה שמאפשר מחקר פיזיקה חדש. זה הושג באמצעות שיתוף פעולה גלובלי בין תיאוריה וניסויים. קרדיט: twoday.co.il.com

התיאוריה הפכה לפרקטיקה כעבודה חדשה מה אוניברסיטת שיקגו בית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר מנצל את היכולת המדהימה של פגמי היהלומים לרכז אנרגיה אופטית.

חוקרים פיתחו אנטנות אטומיות באמצעות מרכזי גרמניום פנויים ביהלומים, והשיגו שיפור אנרגיה אופטית פי מיליון. התקדמות זו מאפשרת לימודי פיזיקה בסיסית ופותחת אפיקי מחקר חדשים. שיתוף הפעולה בין צוותים תיאורטיים וניסויים היה חיוני לפריצת דרך זו.

אנטנות אטומיות: רתימת אור לאותות חזקים

בדומה לאופן שבו אנטנת רדיו לוכדת שידור מהאוויר ומרכזת את האנרגיה למוזיקה, אטומים בודדים יכולים לאסוף ולרכז את אנרגיית האור לאות חזק ומקומי שחוקרים יכולים להשתמש בו כדי לחקור את אבני הבניין הבסיסיות של החומר.

ככל ששיפור העוצמה חזק יותר, כך האנטנה טובה יותר. עם זאת, מדענים מעולם לא הצליחו לנצל את שיפורי האינטנסיביות הפוטנציאליים של כמה "אנטנות אטומיות" בחומרים מוצקים פשוט משום שהם היו מוצקים.

התגברות על האתגרים של חומרים מוצקים

"רוב הזמן כשיש לך אטומים במוצקים, הם מקיימים אינטראקציה עם הסביבה. יש הרבה אי סדר, הם מזדעזעים מפונונים ומתמודדים עם שיבושים אחרים שמפחיתים את הקוהרנטיות של האות", אמר עוזר פרופסור אלכס גבוה בבית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker.

במאמר חדש שפורסם ב-7 ביוני ב טבע פוטוניקה, צוות רב מוסדי בראשות המעבדה הגבוהה פיצח את הבעיה הזו. הם השתמשו במרכזי גרמניום פנויים ביהלומים כדי ליצור שיפור אנרגיה אופטית של שישה סדרי גודל, משטר שמאתגר להגיע אליו עם מבני אנטנה קונבנציונליים.

זיקסי לי

המועמדת לדוקטורט Zixi Li בבית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker היא הכותבת הראשונה במאמר חדש מהמעבדה של Asst. פרופ' אלכס היי, המדגים דרך חדשה לספק מדידות חזקות יותר ברמה האטומית. קרדיט: צילום מאת Hong Qiao / UChicago Pritzker בית הספר להנדסה מולקולרית

אנטנות אופטיות פורצות דרך עם יהלומים

שיפור האנרגיה של פי מיליון זה יוצר את מה שהעיתון מכנה אנטנה אופטית "למופת" ומספק כלי חדש הפותח תחומי מחקר חדשים לחלוטין.

"זו לא רק פריצת דרך בטכנולוגיה. זו גם פריצת דרך בפיזיקה בסיסית", אמרה מועמדת ל-PME לדוקטורט Zixi Li, מחברת שותפה ראשונה בעיתון. "למרות שידוע שדיפול אטומי נרגש יכול ליצור כמעט-תיק בעוצמה עצומה, אף אחד מעולם לא הוכיח זאת בניסוי לפני כן."

מתיאוריה לפרקטיקה: מימוש אנטנות אופטיות

תכונת הליבה של אנטנה אופטית היא שהיא יוצרת דיפול אלקטרוני מתנודד כאשר היא נרגשת בתהודה.

"אנטנות אופטיות הן בעצם מבנים המקיימים אינטראקציה עם שדות אלקטרומגנטיים וסופגים או פולטים אור בתהודות מסוימות, כמו האלקטרונים הנעים בין רמות האנרגיה במרכזי הצבע הללו", אמר היי.

האלקטרון מתנדנד כשהוא עובר בין מצב נרגש למצב קרקע ומרכז כמות עצומה יחסית של אנרגיה, מה שהופך דיפול אופטי אטומי במוצק לאנטנה מצוינת – תיאורטית.

"זו לא רק פריצת דרך בטכנולוגיה. זו גם פריצת דרך בפיזיקה בסיסית".

מועמדת לדוקטורט Zixi Li בבית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker

התמודדות עם האתגרים באטומים במצב מוצק

מה ששמר את היכולת הזו תיאורטית הייתה העובדה שהאטומים היו במוצקים, נתונים לכל הדחיפות, הפרעות האלקטרונים והרעש הכללי הנובע מהיותם חלק ממבנה צפוף. מרכזי צבע – פגמים קטנים ביהלומים וחומרים אחרים בעלי תכונות קוונטיות מעניינות – סיפקו לצוות פתרון.

"משהו שנצפה בשבע או שמונה השנים האחרונות הוא שסוגים מסוימים של מרכזי צבע יכולים להיות חסינים מפני ההשפעות הסביבתיות הללו", אמר היי.

פוטנציאל של פליטת אור מכאנית קוונטית

זה פותח הזדמנויות מחקר מסקרנות, אמר המחבר דריק צ'אנג מהמכון למדעי הפוטוני בברצלונה, ספרד.

"בעיני, ההיבט המעניין ביותר של מרכז צבע הוא לא רק שיפור השדה, אלא גם העובדה שהאור הנפלט הוא מכני קוונטי במהותו", אמר. "זה עושה את זה מסקרן לשקול האם ל'אנטנה אופטית קוונטית' יכולה להיות סט שונה של פונקציונליות ומנגנוני עבודה בהשוואה לאנטנה אופטית קלאסית."

שיתופי פעולה סוללים את הדרך לחידושים

אבל הפיכת התיאוריה הזו לאנטנה מעשית ארכה שנים, שיתוף פעולה עם חוקרים ברחבי העולם והדרכה תיאורטית מקבוצת Galli של UChicago.

"שיתוף הפעולה בין התיאוריה, החישובים והניסויים שיזם אלכס היי לא רק תרם להבנה ולפרשנות של מדע הליבה, אלא גם פתח קווי מחקר חדשים בצד החישובי", אמרה פרופ' משפחת ליו, פרופ' גויליה ​​גאלי, מחברת שותפה. על הנייר. "שיתוף הפעולה היה פורה ביותר".

"הקסם של מרכז צבע"

הדמיה ברמה האטומית היא שילוב של הגברה ורוחב פס – עוצמת האות וכמות האות שניתן ללמוד. בגלל זה, המחבר הראשון Xinghan Guo רואה את הטכניקה החדשה כמשלימה, לא מחליפה, טכניקות קיימות.

"אנחנו מציעים הגברה הרבה יותר גבוהה אבל רוחב הפס שלנו צר יותר", אמר גואו, שסיים לאחרונה את הדוקטורט שלו ב-PME וכעת הוא חוקר פוסט-דוקטורט ב-Yale. "אם יש לך אות מאוד סלקטיבי שיש לו רוחב פס צר אבל דורש הרבה הגברה, אתה יכול לבוא אלינו."

היתרונות של טכניקות חדשות

הטכניקה החדשה מציעה יתרונות אחרים מלבד אות חזק יותר. בעוד שטכניקות קיימות כמו Raman חד מולקולה וספקטרוסקופיה של FRET מגבירים את האות על ידי פיצוץ באור, טכניקה זו דורשת רק ננו-וואט של אנרגיה כדי להפעיל. משמעות הדבר היא אות חזק ללא הלבנה, חימום וקרינת רקע שאור מוגזם יוצר.

מרכזי הגרמניום הפנויים גם אינם מפזרים אנרגיה בזמן השימוש בהם, בניגוד לאנטנות פלסמוניות קונבנציונליות.

"הקסם של מרכז צבע הוא שהוא בו-זמנית דמוי נקודה ונמנע מאובדן של חומר פלסמוני, מה שמאפשר לו לשמור על שיפור השדה הקיצוני שלו", אמר צ'אנג.

תגליות עתידיות עם אנטנות אופטיות

עבור High, החלק המרגש הוא לא הצורה החדשה של האנטנה, אלא התגליות הפוטנציאליות שהם יעשו.

"מה שמרגש הוא שזו תכונה כללית", אמר היי. "אנחנו יכולים לשלב את מרכזי הצבע האלה במגוון עצום של מערכות, ואז נוכל להשתמש בהן כאנטנות מקומיות כדי להצמיח תהליכים חדשים שגם בונים מכשירים חדשים וגם עוזרים לנו להבין איך היקום עובד."

מימון: Q-NEXT, בתמיכת משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, מרכזי המחקר הלאומיים למדעי המידע הקוונטי. ZL מכירה בתמיכה ממלגת קדאנוף-רייס (מענק מס' NSF DMR-2011854). מאמצים הקשורים לצמיחת יהלומים נתמכו על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים, מדע החומרים וההנדסה.

ניקולס