Starke Licht-Materie-Kopplung mit zuckerbeschichteten Metamaterialien
Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat eine Methode entwickelt, die Licht im Inneren eines organischen Materials einschließt. Die Forscher des gemeinsamen Max-Planck-Zentrums für Extrem- und Quantenphotonik der Universität Ottawa und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts haben ein Gerät entwickelt, das die Eigenschaften von Materialien durch Quantenüberlagerung mit Licht effizient verändern kann. Die kürzlich in Nature Communications veröffentlichtrn Ergebnisse bringen die Forscher der Möglichkeit näher, einige der einzigartigen Eigenschaften von Quantensystemen, die sich in einem hybriden Zustand von Licht und Materie befinden, technologisch zu nutzen. Die Erkenntnisse könnten auch zur Entwicklung künftiger Technologien in der medizinische Anwendungen beitragen.
Schema einer hybriden Hohlraumarchitektur für eine effiziente Licht-Materie-Kopplung. (@ Alexandra Genes, Genes Design).
Das Team der experimentellen Gruppe "Ultrafast Terahertz Spectroscopy" unter der Leitung von Prof. Jean-Michel Ménard an der Universität Ottawa (Kanada) und der theoretischen Gruppe "Cooperative Quantum Phenomena" unter der Leitung von Dr. Claudiu Genes am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (Deutschland) hat einen zweidimensionalen Spiegel entwickelt, dessen Oberfläche mit sehr dünnen metallischen Elementen strukturiert ist. Diese sogenannte Metasurface interagiert effizient mit Licht in einem bestimmten Frequenzfenster. Auf das Metasurface wurde eine dünne Zuckerschicht aufgebracht, die stark an die Metasurface koppelt. Wenn Licht im fernen Infrarotbereich – bei Terahertzfrequenzen (THz) – in einem organischen Material eingefangen wird, koppelt es mit anderen Molekülen und verändert deren Eigenschaften. In ihrem experimentellen Ansatz nutzen die Forscher diese Licht-Materie-Wechselwirkung, um einen einzigartigen Quantenzustand zu erzeugen. Ein solcher Zustand ist weder vollständig auf das Material noch auf das rein masselose Photonenfeld beschränkt. Konkret kann das THz-Licht die Schwingungen der Molekülkerne direkt ansprechen und verändern. Die Fähigkeit, Kernschwingungen zu kontrollieren, eröffnet wiederum die Möglichkeit, die physikalischen und chemischen Eigenschaften solcher Moleküle zu steuern.
Die Forscher haben unter der Leitung des Doktoranden Ahmed Jaber von der Universität Ottawa eine innovative Verbundplattform entwickelt, in der das Licht doppelt eingefangen wird und fest eingeschlossen bleibt. Die robuste Plug-and-Play-Plattform liefert ein Design aus strukturierten metallischen Meta-Oberflächen in Kombination mit einem photonischen Hohlraum. Eine Vielzahl organischer Materialien können so analysiert und Quantensysteme mit neuen Eigenschaften hergestellt werden. Eine präzise Ausrichtung der Vorrichtung, um das Licht einzufangen, ist nicht erforderlich. Die kritischen Bedingungen werden bereits größtenteils durch die Geometrie des metallischen Musters der Metasurface erfüllt. Diese Arbeit zur Grundlagenforschung starker Licht-Materie-Kopplung könnte in der Praxis genutzt werden, um die Schwingungsbindungen von Molekülen zu verändern und möglicherweise die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen zu beeinflussen. Die Arbeit wird anhand von Zucker demonstriert, der ein wesentlicher Baustein in den Biowissenschaften ist und eine wichtige Rolle für biologische Prozesse spielt.
Originale Publikation:
Jaber, A., Reitz, M., Singh, A. et al. Hybrid architectures for terahertz molecular polaritonics. Nat Commun 15, 4427 (2024).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48764-6
Wissenschaftliche Kontakte:
Dr. Claudiu Genes
Leiter der Forschungsgruppe ›Kooperative Quantenphänomene‹
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts.
E-Mail: claudiu.genes@mpl.mpg.de
E-Mail: jmena22@uottawa.ca
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Leitung Kommunikation und Marketing
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