[논문] 원자 수준에서 더욱 강력한 측정을 제공하는 '양자 광학 안테나'

라디오 안테나가 공중에서 방송을 뽑아 에너지를 노래로 집중시키는 것과 유사하게, 개별 원자는 빛의 에너지를 모아서 연구원들이 물질의 기본 구성 요소를 연구하는 데 사용할 수 있는 강력하고 국부적인 신호로 집중할 수 있습니다.

강도 강화 효과가 강력할수록 안테나. 그러나 연구자들은 일부 “원자 안테나”의 잠재적으로 엄청난 강도 향상을 활용할 수 없었습니다. 고체 재료 단지 그것들이 고체였기 때문이다.

“대부분의 경우 고체에 원자가 있으면 환경과 상호 작용합니다. 무질서가 많고 포논에 의해 흔들리고 신호의 일관성을 감소시키는 다른 혼란에 직면합니다”라고 UChicago Pritzker School of Molecular Engineering Asst는 말했습니다. . 알렉스 하이 교수.

~ 안에 새로운 논문이 출판됐다 ~에 자연광학, High Lab이 이끄는 다중 기관 팀이 이 문제를 해결했습니다. 그들은 다이아몬드의 게르마늄 공극 중심을 사용하여 6배의 광학 에너지 강화를 생성했는데, 이는 기존 안테나 구조로는 도달하기 어려운 영역입니다.

이러한 백만 배의 에너지 향상은 논문에서 “모범적인” 광학 안테나라고 부르는 것을 생성하고 완전히 새로운 연구 영역을 여는 새로운 도구를 제공합니다.

PME 박사는 “이것은 단지 기술의 획기적인 발전이 아닙니다. 기초 물리학의 획기적인 발전이기도 합니다.”라고 말했습니다. 논문 공동 제1저자인 Zixi Li 후보. 여기된 원자 쌍극자가 엄청난 강도의 근접장을 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있지만 이전에는 실험에서 이를 입증한 사람이 아무도 없습니다.

이론부터 실습까지

광 안테나의 핵심 특징은 공진 시 여기될 때 진동하는 전자 쌍극자를 생성한다는 것입니다.

“광 안테나는 기본적으로 다음과 상호 작용하는 구조입니다. 전자기장 사이를 이동하는 전자와 같은 특정 공명에서 빛을 흡수하거나 방출합니다. 에너지 수준 이 색상 센터에서요.” High가 말했습니다.

전자는 다음과 같은 상태로 전이할 때 진동합니다. 흥분된 상태 이론적으로 고체의 원자 광학 쌍극자를 우수한 안테나로 만드는 것은 바닥 상태이며 비교적 엄청난 양의 에너지를 집중시킵니다.

그 능력을 이론적으로 유지하는 것은 원자가 고체에 있고, 밀집된 구조의 일부로 인해 발생하는 모든 밀림, 전자 간섭 및 일반적인 소음에 노출되어 있다는 사실이었습니다. 흥미로운 양자 특성을 지닌 다이아몬드 및 기타 재료의 작은 결함인 컬러 센터가 팀에 솔루션을 제공했습니다.

“지난 7~8년 동안 관찰된 사실 중 하나는 특정 유형의 컬러 센터가 이러한 환경 영향에 영향을 받지 않는다는 것입니다.”라고 High는 말했습니다.

이는 흥미로운 연구 기회를 열어준다고 스페인 바르셀로나에 있는 광과학 연구소(Institute of Photonic Sciences)의 공동 저자인 Darrick Chang은 말했습니다.

“나에게 있어 색상 센터의 가장 흥미로운 측면은 필드 향상뿐만 아니라 방출된 빛이 본질적으로 양자 역학적이라는 사실입니다.”라고 그는 말했습니다. “이것은 '양자 광학 안테나'가 기존 광학 안테나와 비교하여 다른 기능 세트와 작동 메커니즘을 가질 수 있는지 여부를 고려하는 것을 흥미롭게 만듭니다.”

그러나 이 이론을 실용적인 안테나로 바꾸는 데는 수년이 걸렸으며, 전 세계 연구자들과의 협력과 시카고대 갈리 그룹(UChicago's Galli Group)의 이론적 지도가 있었습니다.

공동 저자인 PME Liew Family 교수인 Guilia Galli는 “Alex High가 시작한 이론, 계산 및 실험 간의 협력은 핵심 과학을 이해하고 해석하는 데 기여했을 뿐만 아니라 계산 측면에서 새로운 연구 지평을 열었습니다”라고 말했습니다. 종이에. “협력은 매우 유익했습니다.”

'컬러 센터의 마법'

원자 수준의 이미징은 신호의 강도와 연구할 수 있는 신호의 양인 증폭과 대역폭의 조합입니다. 이 때문에 공동 제1저자인 Xinghan Guo는 새로운 기술이 기존 기술을 대체하는 것이 아니라 보완적인 것으로 보고 있습니다.

“우리는 훨씬 더 높은 증폭을 제공하지만 대역폭은 더 좁습니다”라고 최근 박사 학위를 마친 Guo는 말했습니다. PME에서 근무했으며 현재 Yale에서 박사후 연구원으로 재직하고 있습니다. “대역폭이 좁지만 많은 증폭이 필요한 매우 선택적인 신호가 있다면 우리에게 오십시오.”

새로운 기술은 더 강력한 신호보다 다른 이점을 제공합니다. 단일 분자 라만 및 FRET 분광법과 같은 기존 기술은 빛을 발사하여 신호를 증폭시키는 반면, 이 기술은 활성화하는 데 나노와트의 에너지만 필요합니다. 이는 과도한 빛으로 인해 발생하는 표백, 가열 및 배경 형광이 없는 강한 신호를 의미합니다.

게르마늄 공극 센터는 기존 플라즈몬 안테나와 달리 사용 시 에너지를 낭비하지 않습니다.

“색상 센터의 마법은 동시에 점과 유사하며 플라즈몬 물질의 손실을 방지하여 극도의 필드 향상을 유지할 수 있다는 것입니다”라고 Chang은 말했습니다.

High에게 흥미로운 부분은 새로운 형태의 안테나가 아니라 안테나가 만들어낼 잠재적인 발견입니다.

“흥미로운 점은 이것이 일반적인 특징이라는 것”이라고 High는 말했습니다. “우리는 이것을 통합할 수 있습니다 컬러 센터 광범위한 시스템에 적용한 다음 이를 로컬 안테나로 사용하여 새로운 장치를 구축하고 우주가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 되는 새로운 프로세스를 성장시킬 수 있습니다.”