Naukowcy opracowali technikę wychwytywania światła w materiale organicznym, tworząc hybrydowy stan kwantowy, który powoduje powstanie nowych właściwości fizycznych i chemicznych.
Międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem Uniwersytetu w Ottawie wrócił do szafek kuchennych, aby stworzyć przepis łączący materiał organiczny i światło w celu wytworzenia stanów kwantowych.
Profesor Jean-Michel Ménard, kierownik grupy Ultraszybkiej Spektroskopii Terahercowej na Wydziale Nauk Naukowych, współpracował z dr Claudiu Genesem w Instytucie Nauki o Świetle im. Maxa Plancka (Niemcy) oraz z firmą Iridian Spectral Technologies (Ottawa) w celu zaprojektowania urządzenie potrafiące efektywnie modyfikować właściwości materiałów wykorzystując superpozycję kwantową ze światłem.
Zespół zaprojektował dwuwymiarowy rezonator planarny – znany jako metapowierzchnia – które uchwyciło światło. Następnie stosując technikę powlekania natryskowego, nałożyli cienką warstwę glukozy na tę metapowierzchnię, aby wywołać silną interakcję między cząsteczkami światła i glukozy w cukrze.
Ich koncepcja przybliża badaczy do technologicznej możliwości wykorzystania niektórych unikalnych właściwości układów kwantowych znajdujących się w hybrydowym stanie światła i materii.
Profesorowie Wydziału Nauk Ksenia Dolgaleva i Robert Boyd wnieśli wkład w prace wraz z profesorem Menardem, głównym autorem, który omówił ustalenia opublikowane w czasopiśmie Natura Komunikacja.
Pytanie: Co postanowiłeś zrobić i co odkryłeś?
Jean-Michel Menard: „Prezentujemy innowacyjną i wydajną technikę syntezy kwantowych materiałów organicznych poprzez połączenie światła i materii. Kiedy światło znajduje się w obszarze dalekiej podczerwieni – o godz terahercowy Częstotliwości THz – zostają uwięzione w materiale organicznym, mogą łączyć się z cząsteczkami, tworząc stan kwantowy wykazujący unikalne właściwości, które cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na ich potencjalne zastosowanie w modyfikowaniu właściwości fizycznych i chemicznych materii. Te intrygujące stany powstają tylko w określonych warunkach. Nasz zespół zidentyfikował te krytyczne warunki i stworzył „pułapkę fotoniczną”, czyli urządzenie, które skutecznie ogranicza światło w małej przestrzeni przez dłuższy czas. Ta pułapka umożliwia ustanowienie silnego reżimu sprzęgania między światłem a zespołem molekularnym.
„W przeciwieństwie do poprzednich podejść, które opierały się na wnękach optycznych wykonanych z dwóch skierowanych ku sobie zwierciadeł, zamiast tego zaprojektowaliśmy i przetestowaliśmy dwuwymiarowy rezonator planarny, znany jako metapowierzchnia. Ta metapowierzchnia skutecznie umożliwia optyczne zamknięcie w płaskiej geometrii, otwierając nowe praktyczne możliwości badania reżimu kwantowego silnych interakcji światło-materia.
„Na koniec połączyliśmy metapowierzchnie z tradycyjną geometrią wnęk, tworząc hybrydowe architektury wnęk i zaobserwowaliśmy wzmocnienie siły sprzężenia między światłem a materią. Wyniki te wykazano w przypadku glukozy, związku organicznego o właściwościach przydatnych w biologii i medycynie”.
P: Dlaczego warto używać światła THz i cukru?
JM: „Światło terahercowe jest szczególnie interesujące, ponieważ może indukować wibracje wielu cząsteczek, w tym cząsteczek glukozy w cukrze. Energia wibracji cząsteczek jest ściśle powiązana z ich właściwościami, w tym zdolnością do wchodzenia w reakcje chemiczne z innymi cząsteczkami. Dlatego projektując platformy umożliwiające silne sprzężenie światła terahercowego z wibracjami cząsteczek, które są podstawowymi elementami budulcowymi substancji organicznych, mamy potencjał zmiany ich właściwości, aby potencjalnie przejąć kontrolę nad mechanizmami leżącymi u podstaw życia”.
P: Co ostatecznie odkryłeś podczas swoich badań?
JM: „Odkryliśmy skuteczne podejścia do łączenia światła terahercowego i materii. Najbardziej obiecująca koncepcja opiera się na strukturalnej powierzchni metalicznej, zwanej metapowierzchnią, uwzględnionej w projekcie wnęki fotonicznej. W rezultacie światło zostaje podwójnie uwięzione i pozostaje szczelnie zamknięte w urządzeniu.
„Nasza solidna platforma typu plug-and-play umożliwia umieszczenie w tym urządzeniu potencjalnie wielu materiałów organicznych w celu stworzenia układów kwantowych o nowych właściwościach. Wynika to z faktu, że do wychwytywania światła nie jest wymagane dokładne ustawienie urządzenia, ponieważ ten krytyczny warunek jest w większości spełniony przez geometrię metalicznego wzoru metapowierzchni. Co ciekawe, ponieważ istnieją skalowalne techniki wytwarzania umożliwiające wytwarzanie metapowierzchni oddziałujących ze światłem terahercowym, wierzymy, że urządzenia te będą mogły zostać wkrótce wykorzystane do rzeczywistych zastosowań reakcji chemicznych wzmocnionych kwantowo”.
P: Jaki wpływ mogą mieć te badania?
J.M.: „Wyniki te przybliżają nas do technologicznej możliwości wykorzystania niektórych unikalnych właściwości układów kwantowych składających się z hybrydyzowanego stanu światła i materii. Przeprowadzając systematyczne badania teoretyczne i eksperymentalne różnych typów rezonatorów fotonicznych, odkryliśmy kilka nowatorskich konstrukcji rezonatorów fotonicznych, które mogą tworzyć kwantową superpozycję pomiędzy materiałem molekularnym, glukozą i światłem w określonym obszarze okna widmowego dalekiej podczerwieni zwanego obszar terahercowy. Poprzednie prace wykazały, że proces hybrydyzacji, w którym wykorzystuje się światło terahercowe, modyfikuje pierwotne właściwości fizyczne i chemiczne materiału. Na przykład obecność rezonatora fotonicznego może zmienić szybkość niektórych reakcji chemicznych z udziałem tego materiału.
„Wierzymy, że to podejście może w przyszłości pomóc w regulacji niektórych procesów molekularnych, co doprowadzi do zastosowania w medycynie do szybkiej diagnostyki i potencjalnie nowych strategii terapeutycznych”.
Odniesienie: „Hybrydowe architektury dla terahercowej polarytoniki molekularnej” autorstwa Ahmeda Jabera, Michaela Reitza, Avinasha Singha, Ali Maleki, Yongbao Xina, Briana T. Sullivana, Ksenii Dolgalevy, Roberta W. Boyda, Claudiu Genesa i Jean-Michela Ménarda, 24 maja 2024 r. , Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48764-6
