Команда международных ученых во главе с Университетом Оттавы вернулась к кухонному шкафу, чтобы создать рецепт, сочетающий органический материал и свет для создания квантовых состояний.

Профессор Жан-Мишель Менар, руководитель группы сверхбыстрой терагерцовой спектроскопии на факультете естественных наук, координировал работу с доктором Клаудиу Генесом из Института науки о свете Макса Планка (Германия) и с Iridian Spectral Technologies (Оттава) для разработки устройство, которое может эффективно изменять свойства материалов, используя квантовую суперпозицию света .

Команда разработала двумерный планарный резонатор, известный как метаповерхность, который улавливает свет. Используя технику нанесения покрытия распылением, они затем нанесли тонкий слой глюкозы на эту метаповерхность, чтобы вызвать сильное взаимодействие между светом и молекулами глюкозы в сахаре.

Их концепция приближает исследователей к технологическим возможностям раскрыть некоторые уникальные свойства квантовых систем, находящихся в гибридном состоянии света и материи.

Профессора факультета естественных наук Ксения Долгалева и Роберт Бойд внесли свой вклад в работу вместе с профессором Менардом, ведущим автором, который обсуждает результаты, опубликованные в журнале Nature Communications.

Что вы намеревались сделать и что вы обнаружили?

Мы представляем инновационный и эффективный метод синтеза квантовых органических материалов путем объединения света и материи. Когда свет в дальней инфракрасной области — на частотах терагерца (ТГц) — связывается с органическим материалом , он может сливаться с молекулами, в результате чего образуется квантовое состояние, проявляющее уникальные свойства, которые вызывают растущий интерес из-за их потенциального применения для модификации. физические и химические свойства вещества. Эти интригующие состояния возникают только при определенных условиях.

Наша команда определила эти критические условия и создала фотонную ловушку или устройство, позволяющее эффективно удерживать свет в небольшом пространстве в течение значительного периода времени. Эта ловушка позволяет установить режим сильной связи между светом и молекулярным ансамблем.

В отличие от предыдущих подходов, которые основывались на оптических резонаторах, состоящих из двух обращенных друг к другу зеркал, вместо этого мы разработали и протестировали двумерный планарный резонатор, известный как метаповерхность. Эта метаповерхность эффективно обеспечивает оптическое ограничение в рамках плоской геометрии, открывая новые практические возможности для исследования квантового режима сильных взаимодействий света и материи.

Наконец, мы объединили метаповерхности с традиционной геометрией полостей, чтобы сформировать гибридную архитектуру полостей и наблюдать увеличение силы связи между светом и материей. Эти результаты продемонстрированы на примере глюкозы — органического соединения, свойства которого полезны в биологии и медицине.

Зачем использовать ТГц свет и сахар?

Терагерцовый свет особенно интересен, поскольку он может вызывать вибрации во многих молекулах, включая молекулы глюкозы в сахаре. Энергия вибрации молекул неразрывно связана с их свойствами, включая их способность вступать в химические реакции с другими молекулами.

Поэтому, создавая платформы, обеспечивающие прочную связь между терагерцовым светом и вибрацией молекул, которые являются фундаментальными строительными блоками органических веществ, у нас есть потенциал изменить их свойства, чтобы потенциально получить контроль над механизмами, лежащими в основе жизни.

Что вы в конечном итоге обнаружили в ходе своего исследования?

Мы обнаружили эффективные подходы к соединению терагерцового света и материи. Наиболее многообещающая концепция основана на структурированной металлической поверхности, метаповерхности, включенной в конструкцию фотонного резонатора. В результате свет оказывается в двойной ловушке и остается плотно заключенным внутри устройства.

Наша надежная платформа Plug-and-Play позволяет потенциально вставлять в это устройство множество органических материалов для создания квантовых систем с новыми свойствами. Это связано с тем, что для улавливания света не требуется точной настройки устройства, поскольку это критическое условие в основном выполняется за счет геометрии металлического рисунка метаповерхностей. Интересно, что, поскольку существуют масштабируемые методы изготовления метаповерхностей, взаимодействующих с терагерцовым светом, мы полагаем, что эти устройства можно будет использовать относительно скоро для реальных применений квантово-усиленных химических реакций.

Какое влияние может иметь это исследование?

Эти результаты приближают нас к технологическим возможностям раскрыть некоторые уникальные свойства квантовых систем, состоящих из гибридного состояния света и материи.

Выполняя систематическое теоретическое и экспериментальное исследование различных типов фотонных резонаторов, мы обнаружили несколько новых конструкций фотонных резонаторов, которые могут создавать квантовую суперпозицию между молекулярным материалом, глюкозой и светом в определенной области дальнего инфракрасного спектрального окна, называемой Терагерцевая область.

Предыдущая работа продемонстрировала, что этот процесс гибридизации, когда он использует терагерцовый свет, изменяет исходные физические и химические свойства материала. Например, наличие фотонного резонатора может изменить скорость некоторых химических реакций с участием этого материала.

Мы считаем, что в будущем этот подход может помочь регулировать некоторые молекулярные процессы, что приведет к его применению в медицине для быстрой диагностики и потенциально новых терапевтических стратегий.