Vědci z Louisiana State University představili umělý materiál, který dokáže při pokojové teplotě rozlišovat a ovlivňovat vybrané kvantové statistické vlastnosti světla. Takzvaný kvantově-statistický plazmonický metakrystal tvoří tenká zlatá vrstva s pravidelně uspořádanými nanoanténami. Podle studie zveřejněné v časopise Nature struktura propouští některé vícefotonové světelné stavy bez změny jejich statistiky, zatímco jiné filtruje a jejich vlastnosti upravuje směrem k hodnotám, které materiál podporuje.
Metakrystal není krystalem v běžném chemickém smyslu. Jde o nanofotonickou strukturu navrženou člověkem, jejíž jednotlivé prvky napodobují vlastnosti atomů. Autoři použili zlatý film o tloušťce 110 nm nanesený na skleněný podklad o tloušťce 175 µm. Do něj vytvořili soustavu 100 nanoanten, tedy „meta-atomů“, o rozměrech 200 × 400 nm. Sousedy dělila vzdálenost 1 µm a jejich orientace se v poli struktury měnila. Světlo se nejprve navázalo na povrchové plazmony, kolektivní oscilace elektronů na rozhraní kovu a okolního prostředí, které zprostředkovaly interakce mezi nanoantenami.
Výzkum se soustředil na kvantovou statistiku světla, tedy na to, jak se v čase mění počty zachycených fotonů a jak spolu tyto fluktuace souvisejí. Tým ji popsal pomocí druhého stupně koherence g²(0), veličiny používané pro měření korelací v počtech fotonů. Koherentní světlo, jaké přibližně produkuje ideální laser, má hodnotu g²(0) rovnou jedné. Tepelné světlo má hodnotu blízkou dvěma, zatímco u některých polí mohou být fluktuace ještě výraznější a hodnota přesahuje dvě.
Povolené a zakázané statistické pásy
Uspořádání nanoanten vytváří podle autorů obdobu energetických pásů známých z polovodičů, avšak ne pro elektrony. V tomto případě vznikají „kvantově-statistické pásy“, které určují, jaké hodnoty druhého stupně koherence mohou strukturou procházet stabilně. Světelné stavy odpovídající povolenému pásu metakrystal přenesl bez statistického zkreslení. Stavy v zakázaném pásu naopak materiál změnil: jejich fotonové fluktuace se posunuly k nejbližší podporované hodnotě.
V experimentu badatelé připravili 13 vícefotonových zdrojů s hodnotami g²(0) v rozsahu od jedné do tří. Metakrystal například bez změny přenesl koherentní světlo s hodnotou g²(0) = 1, tepelné světlo i supertepelné světlo s hodnotou tři. U pole s počáteční hodnotou 2,15 naopak naměřili po průchodu materiálem hodnotu 2,58. U subtepelného pole s hodnotou 1,25 se hodnota změnila na 1,50. Výstup analyzovali dvojicí detektorů schopných rozlišovat počet dopadajících fotonů.
Důležitou částí výsledku je, že pozorované statistické pásy zůstávaly zachovány při šíření světla v takzvané paraxiální blízké oblasti struktury, kterou autoři označili jako hloubku krystalu. Právě v ní se projevují interakce zprostředkované povrchovými plazmony. Výzkumníci zkoumali, zda se tento efekt drží pro různé vstupní světelné stavy, a ověřovali jej napříč všemi 13 připravenými zdroji.
Výsledek neznamená, že by metakrystal nahradil chlazení všech kvantových technologií. Studie ukazuje specifický druh zpracování vícefotonového světla v nanostruktuře pracující za běžných podmínek. Zatím jde o laboratorní demonstraci omezenou na optickou platformu a na oblast v blízkosti materiálu. Autoři nicméně uvádějí, že podobné struktury by mohly být užitečné pro fotonické systémy, v nichž je třeba uchovávat či cíleně měnit statistické vlastnosti světla. Zkoumat chtějí také možné využití při zachytávání světla v solárních článcích; účinnost takového použití však tato práce ještě netestovala.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.