Trencant fronteres en fotònica quàntica: unes nanocavitats noves amplien les fronteres en el confinament de la llum

Els físics porten molt de temps buscant maneres de forçar els fotons a ocupar volums cada vegada més petits. L'escala de longitud natural del fotó és la longitud d'ona i quan un fotó és forçat a entrar en una cavitat molt més petita que la seva longitud d'ona, a la pràctica es torna més “concentrat”. Aquesta concentració millora les interaccions amb els electrons, amplificant els processos quàntics dins de la cavitat.

Tot i l'immens èxit experimental de les darreres dècades, l'efecte de la dissipació (absorció òptica) continua sent un obstacle important a l'hora de confinar la llum a volums extremadament petits. Els fotons a les nanocavitats s'absorbeixen molt ràpidament, sovint fins i tot abans que el fotó arribi des d'una banda de la cavitat a l'altra. Aquesta dissipació limita l'aplicabilitat de les nanocavitats a algunes de les àrees més interessants de l'electrodinàmica quàntica.

El grup de recerca del Prof. ICREA Frank Koppens de l'ICFO ha publicat un estudi a Nature Materials on superen aquest desafiament creant cavitats potenciades multimodals (en anglès multimodal-enhanced cavities o MEC) amb una combinació incomparable de volum per sota de la longitud d'ona i vida útil ampliada. Aquestes nanocavitats, que fan menys de 100x100 nm² d'àrea i només 3 nm de gruix, confinen la llum durant períodes significativament més llargs. La clau radica en l'ús de polaritons de fonons hiperbòlics, excitacions electromagnètiques úniques natives dels materials 2D utilitzats per formar la cavitat. Aquests polaritons hiperbòlics són similars a la llum ordinària en la majoria dels aspectes, però es poden confinar a volums extremadament petits (molt més petits que la longitud d'ona elevada al cub) de maneres que desafien la intuïció comuna en òptica.

Quan els experiments van superar les expectatives teòriques

Aquest descobriment va començar amb una observació casual realitzada durant un projecte completament diferent. Mentre feien servir un microscopi òptic de camp proper per caracteritzar l'estructura d'un material 2D, els investigadors van notar una reflexió inusualment forta quan els polaritons excitats dins seu colpejaven la vora d'un substrat metàl·lic. Aquesta observació inesperada, a primer cop d'ull anecdòtica, va resultar ser el principi subjacent d'un dispositiu innovador.

Els investigadors es van adonar que podrien utilitzar aquesta propietat acabada de descobrir per crear nanocavitats d'alta qualitat i volum petit simultàniament, un èxit que fins ara eludia a la comunitat de la nanofotònica. Ells esperaven obtenir una lleugera millora respecte a les nanocavitats anteriors, però en analitzar les mesures experimentals l'equip es va emportar una gran sorpresa. El rendiment de les cavitats va duplicar les expectatives i va superar el màxim previst pel model teòric inicial. Encara millor, les nanocavitats van mostrar aquestes vides relativament llargues malgrat la mida reduïda (de l'ordre d'uns quants nanòmetres).

"Les mesures experimentals solen ser pitjors del que suggeriria la teoria, però en aquest cas vam descobrir que els experiments superaven les optimistes prediccions de la nostra teoria simplificada", va dir el primer autor, el Dr. Hanan Herzig Sheinfux, del Departament de Física de la Universitat Bar-Ilan. "Aquest èxit inesperat aplana el camí cap a noves aplicacions i avenços en la fotònica quàntica, ampliant els límits del que pensàvem que era possible".

De fet, les seves cavitats MEC eren ordres de magnitud més petites que les de qualsevol altre ressonador òptic de vida comparable. No obstant això, el seu enorme èxit es va convertir també en el seu desafiament més gran, ja que encara mancava una explicació teòrica. Després de mesos d'estudi, van descobrir que "una física realment bonica i sorprenentment profunda relacionada amb la formació de nanoraigs i la interacció multimodal era la responsable de tot", explica el Dr. Herzig.

Cavitat potenciada multimodal de polaritons hiperbòlics 

L'èxit de les seves nanocavitats es basava en un mecanisme de confinament únic, així com en la construcció del dispositiu. Les nanocavitats es van crear perforant forats a nanoescala en un substrat d'or amb la precisió extrema (2-3 nanòmetres) d'un microscopi enfocat de feix d'ions d’He. Després de fer els forats, es va transferir a sobre nitrur de bor hexagonal (hBN), un material 2D que pot admetre els polaritons de fonons hiperbòlics. La llum havia de quedar confinada dins de l'hBN, a la regió situada damunt dels forats.

En el model original utilitzat per analitzar els experiments, el confinament a la cavitat es pot comparar amb l'augment del trànsit d'automòbils que es produeix quan una autopista de doble carril es redueix a un de sol. La incompatibilitat entre el trànsit d'un i dos carrils està obligant els automòbils a congestionar-se, cosa que és vagament similar a com es reflecteix i confina la llum quan el tipus de substrat canvia a la vora del forat donant pas al substrat d’or. La incompatibilitat entre l'hBN suspès i l'hBN sobre or actua com un “coll d'ampolla” per als polaritons, de manera que la llum dins de la cavitat té més dificultats per filtrar-se.

Tanmateix, tal com s’ha esmentat anteriorment, aquest model simple no va poder explicar completament els resultats experimentals. Per fer-ho, cal tenir en compte que els polaritons d'hBN es manifesten en forma d'ones de llum i que, a diferència de les partícules clàssiques (com els cotxes en una carretera), poden combinar-se i interferir de formes complicades. En concret, els polaritons d’hBN es poden combinar en excitacions similars a raigs multimodals. Les excitacions multimodals que es formen per sobre dels nano-forats del metall són fins i tot més incompatibles amb els polaritons fora del forat, cosa que comporta un grau de confinament encara més gran del que seria possible d'una altra manera.

Fonamentalment, aquest mètode evita donar forma directa a l'hBN i preserva la seva qualitat prístina, cosa que permet tenir fotons altament confinats i de llarga vida a la cavitat.

El Prof. Koppens i el Dr. Herzig tenen la intenció d'utilitzar aquestes cavitats com una plataforma innovadora per a experiments quàntics d'interacció llum-matèria per veure efectes quàntics que abans es consideraven impossibles, així com per estudiar més a fons la física intrigant i contraintuïtiva del comportament en polaritons de fonons hiperbòlics.

Referència bibliogràfica: 

Hanan Herzig Sheinfux et al, High-quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride, Nature Materials (2024). www.nature.com/articles/s41563-023-01785-w