Исследователи открывают взаимодействие света и материи в субнанометровых масштабах, что приводит к пикофотонике
Исследователи из Университета Пердью обнаружили новые волны с пространственными вариациями электромагнитных полей пикометрового масштаба, которые могут распространяться в полупроводниках, таких как кремний. Исследовательская группа во главе с доктором Зубином Джейкобом, адъюнкт-профессором электротехники и вычислительной техники Элмора и факультета физики и астрономии, опубликовала свои выводы в журнале Physical Review Applied в статье под названием «Пикофотоника: аномальные атомистические волны в кремнии».
Этот рисунок демонстрирует пикофотонику в трехмерной решетке атомов кремния. Красная волна представляет собой обычную электромагнитную волну, распространяющуюся в твердом теле. Синяя внутренняя волна представляет новую предсказанную пикофотонную волну. Предоставлено: Университет Пердью/Зубин Джейкоб.
«Слово «микроскопический» происходит от масштаба микрона, который в миллион раз меньше метра. Наша работа посвящена взаимодействию света с материей в пикоскопическом режиме, который намного меньше, когда дискретное расположение атомных решеток изменяет свойства света удивительным образом», — говорит Джейкоб.
Эти интригующие находки демонстрируют, что в природных средах происходят разнообразные явления взаимодействия света и материи на атомистическом уровне. Использование пикофотонных волн в полупроводниковых материалах может привести исследователей к разработке новых функциональных оптических устройств, позволяющих применять их в квантовых технологиях.
Взаимодействие света и материи в материалах занимает центральное место в нескольких фотонных устройствах, от лазеров до детекторов. За последнее десятилетие нанофотоника, изучение того, как свет течет в нанометровом масштабе в инженерных структурах, таких как фотонные кристаллы и метаматериалы, привели к важным достижениям. Это существующее исследование может быть отражено в рамках классической теории атомной материи. Нынешнее открытие, ведущее к пикофотонике, стало возможным благодаря значительному скачку вперед с использованием квантовой теории атомистического отклика в материи. В команду входят Джейкоб, а также доктор Сатвик Бхарадвадж, научный сотрудник Университета Пердью, и доктор Тодд Ван Мехелен, бывший постдокторант Университета Пердью.
Давней загадкой в этой области было недостающее звено между атомными решетками, их симметриями и той ролью, которую оно играет в глубоко пикоскопических световых полях. Чтобы ответить на эту загадку, группа теоретиков разработала гамильтоновскую структуру материи Максвелла в сочетании с квантовой теорией светоиндуцированного отклика в материалах.
«Это кардинальный сдвиг по сравнению с классической трактовкой светового потока, применяемой в нанофотонике», — говорит Джейкоб. «Квантовая природа поведения света в материалах является ключом к возникновению явлений пикофотоники».
Бхарадвадж и его коллеги показали, что среди традиционных хорошо известных электромагнитных волн в атомной решетке возникают новые аномальные волны. Эти световые волны сильно колеблются даже в пределах одного фундаментального строительного блока кристалла кремния (масштаб субнанометровой длины).
«Природные материалы сами по себе имеют богатую внутреннюю симметрию кристаллической решетки, и свет сильно зависит от этой симметрии», — говорит Бхарадвадж. «Ближайшая цель — применить нашу теорию к множеству квантовых и топологических материалов, а также экспериментально проверить существование этих новых волн».
«Наша группа возглавляет передовые исследования электродинамических полей пикомасштаба внутри материи на атомистическом уровне», — говорит Джейкоб. «Недавно мы инициировали сеть теории пикоэлектродинамики, в которой мы объединяем различных исследователей для изучения макроскопических явлений, возникающих из-за микроскопических пикоэлектродинамических полей внутри вещества».
