Ilmuwan Mencapai Peningkatan Energi Sejuta Kali Lipat dalam Antena Optik Berlian

Teori telah menjadi praktik sebagai karya baru dari Universitas Chicago Sekolah Teknik Molekuler Pritzker memanfaatkan kemampuan cacat berlian yang luar biasa untuk memusatkan energi optik.

Para peneliti telah mengembangkan antena atom menggunakan pusat kekosongan germanium di berlian, sehingga mencapai peningkatan energi optik jutaan kali lipat. Kemajuan ini memungkinkan studi fisika elementary dan membuka jalan penelitian baru. Kolaborasi antara tim teoretis dan eksperimental sangat penting dalam terobosan ini.

Antena Atom: Memanfaatkan Cahaya untuk Sinyal Kuat

Mirip dengan bagaimana antena radio menangkap siaran dari udara dan memusatkan energinya ke dalam musik, atom individu dapat mengumpulkan dan memusatkan energi cahaya menjadi sinyal lokal yang kuat yang dapat digunakan para peneliti untuk menyelidiki unsur-unsur dasar materi.

Semakin kuat peningkatan intensitasnya, semakin baik antenanya. Namun, para ilmuwan belum pernah mampu memanfaatkan potensi peningkatan intensitas besar dari beberapa “antena atom” pada materials padat hanya karena materials tersebut padat.

Mengatasi Tantangan Materials Padat

“Sering kali ketika ada atom dalam benda padat, mereka berinteraksi dengan lingkungan. Ada banyak gangguan, mereka terguncang oleh fonon dan menghadapi gangguan lain yang mengurangi koherensi sinyal,” kata Asisten Profesor Alex Excessive di Sekolah Teknik Molekuler UChicago Pritzker.

Dalam makalah baru yang diterbitkan pada 7 Juni di Fotonik Alam, tim multi-institusi yang dipimpin oleh Excessive Lab telah memecahkan masalah ini. Mereka telah menggunakan pusat kekosongan germanium dalam berlian untuk menciptakan peningkatan energi optik sebesar enam kali lipat, suatu rezim yang sulit dicapai dengan struktur antena konvensional.

Kandidat PhD Zixi Li di Sekolah Teknik Molekuler UChicago Pritzker adalah rekan penulis pertama makalah baru dari laboratorium Asst. Prof Alex Excessive, yang mendemonstrasikan cara baru untuk memberikan pengukuran yang lebih kuat pada tingkat atom. Kredit: Foto oleh Hong Qiao / Sekolah Teknik Molekuler UChicago Pritzker

Antena Optik Terobosan Dengan Berlian

Peningkatan energi jutaan kali lipat ini menciptakan apa yang oleh makalah ini disebut sebagai antena optik “teladan” dan menyediakan alat baru yang membuka bidang penelitian yang sepenuhnya baru.

“Ini bukan hanya terobosan teknologi. Ini juga merupakan terobosan dalam fisika elementary,” kata kandidat PhD PME Zixi Li, salah satu penulis makalah tersebut. “Meskipun diketahui bahwa dipol atom yang tereksitasi dapat menghasilkan medan magnet dengan intensitas yang sangat besar, belum pernah ada yang mendemonstrasikan hal ini dalam eksperimen sebelumnya.”

Dari Teori ke Praktek: Mewujudkan Antena Optik

Fitur inti antena optik adalah ia menciptakan dipol elektronik yang berosilasi ketika tereksitasi pada resonansi.

“Antena optik pada dasarnya adalah struktur yang berinteraksi dengan medan elektromagnetik dan menyerap atau memancarkan cahaya pada resonansi tertentu, seperti elektron yang bergerak antar tingkat energi di pusat warna ini,” kata Excessive.

Elektron berosilasi ketika bertransisi antara keadaan tereksitasi dan keadaan dasar dan mengkonsentrasikan sejumlah besar energi, menjadikan dipol optik atom dalam benda padat sebagai antena yang sangat baik – secara teori.

“Ini bukan hanya terobosan teknologi. Ini juga merupakan terobosan dalam fisika elementary.”

— Kandidat PhD Sekolah Teknik Molekuler UChicago Pritzker, Zixi Li

Mengatasi Tantangan dalam Atom Strong-State

Apa yang membuat kemampuan tersebut tetap bersifat teoretis adalah fakta bahwa atom-atom berada dalam benda padat, tunduk pada semua guncangan, gangguan elektron, dan gangguan umum yang timbul karena menjadi bagian dari struktur yang sangat padat. Pusat warna – cacat kecil pada berlian dan materials lain dengan sifat kuantum yang menarik – memberikan solusi bagi tim.

“Sesuatu yang telah diamati selama tujuh atau delapan tahun terakhir adalah bahwa jenis pusat warna tertentu dapat kebal terhadap dampak lingkungan ini,” kata Excessive.

Potensi Emisi Cahaya Mekanik Kuantum

Hal ini membuka peluang penelitian yang menarik, kata rekan penulis Darrick Chang dari Institute of Photonic Sciences di Barcelona, ​​Spanyol.

“Bagi saya, aspek paling menarik dari pusat warna bukan hanya peningkatan bidang, namun juga fakta bahwa cahaya yang dipancarkan secara intrinsik bersifat mekanika kuantum,” katanya. “Hal ini membuatnya menarik untuk mempertimbangkan apakah 'antena optik kuantum' dapat memiliki serangkaian fungsi dan mekanisme kerja yang berbeda dibandingkan dengan antena optik klasik.”

Kolaborasi Membuka Jalan bagi Inovasi

Namun mengubah teori ini menjadi antena yang praktis membutuhkan waktu bertahun-tahun, melalui kolaborasi dengan para peneliti di seluruh dunia dan bimbingan teoretis dari Galli Group milik UChicago.

“Kolaborasi antara teori, komputasi, dan eksperimen yang diprakarsai oleh Alex Excessive tidak hanya berkontribusi pada pemahaman dan interpretasi ilmu inti, tetapi juga membuka jalur penelitian baru di sisi komputasi,” kata PME Liew Household Prof. Guilia Galli, salah satu penulisnya. di atas kertas. “Kolaborasi ini sangat bermanfaat.”

'Keajaiban Pusat Warna'

Pencitraan pada tingkat atom merupakan kombinasi amplifikasi dan bandwidth – kekuatan sinyal dan jumlah sinyal yang dapat Anda pelajari. Karena itu, rekan penulis pertama Xinghan Guo melihat teknik baru ini sebagai pelengkap, bukan menggantikan, teknik yang sudah ada.

“Kami menawarkan amplifikasi yang jauh lebih tinggi namun bandwidth kami lebih sempit,” kata Guo, yang baru saja menyelesaikan gelar PhD di PME dan sekarang menjadi peneliti postdoctoral di Yale. “Jika Anda memiliki sinyal yang sangat selektif yang memiliki bandwidth sempit namun memerlukan banyak amplifikasi, Anda dapat menghubungi kami.”

Keuntungan Teknik Baru

Teknik baru ini menawarkan manfaat lain selain sinyal yang lebih kuat. Meskipun teknik yang ada seperti Raman molekul tunggal dan spektroskopi FRET meningkatkan sinyal dengan meledakkannya dengan cahaya, teknik ini hanya membutuhkan energi nanowatt untuk mengaktifkannya. Ini berarti sinyal kuat tanpa pemutihan, pemanasan, dan fluoresensi latar belakang yang dihasilkan oleh cahaya berlebihan.

Pusat kekosongan germanium juga tidak membuang energi saat digunakan, tidak seperti antena plasmonik konvensional.

“Keajaiban pusat warna adalah ia secara bersamaan berbentuk titik dan menghindari hilangnya materials plasmonik, sehingga memungkinkannya mempertahankan peningkatan medan ekstremnya,” kata Chang.

Penemuan Masa Depan Dengan Antena Optik

Bagi Excessive, hal yang menarik bukanlah bentuk antena barunya, namun potensi penemuan yang akan mereka buat.

“Yang menarik adalah ini merupakan fitur umum,” kata Excessive. “Kita dapat mengintegrasikan pusat warna ini ke dalam sejumlah besar sistem, dan kemudian kita dapat menggunakannya sebagai antena lokal untuk mengembangkan proses baru yang membangun perangkat baru dan membantu kita memahami cara kerja alam semesta.”

Referensi: “Antena optik atom dalam benda padat” oleh Zixi Li, Xinghan Guo, Yu Jin, Francesco Andreoli, Anil Bilgin, David D. Awschalom, Nazar Delegan, F. Joseph Heremans, Darrick Chang, Giulia Galli dan Alexander A. Excessive, 7 Juni 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01456-5

Pendanaan: Q-NEXT, didukung oleh Departemen Energi AS, Kantor Sains, Pusat Penelitian Sains Informasi Quantum Nasional. ZL mengakui dukungan dari persekutuan Kadanoff-Rice (hibah no. NSF DMR-2011854). Upaya terkait pertumbuhan berlian didukung oleh Departemen Energi AS, Kantor Ilmu Energi Dasar, Divisi Ilmu Materials dan Teknik.