Sebuah studi baru mengungkapkan pendekatan inovatif terhadap pengekangan foton dalam nanofotonik kuantum, memperkenalkan rongga nano yang memperpanjang masa pakai foton sambil mempertahankan volume subpanjang gelombang, menjanjikan kemajuan baru dalam aplikasi kuantum. Kredit: SciTechDaily.com
Hanan Herzig Sheinfux, dari Universitas Bar-Ilan: “Apa yang awalnya merupakan penemuan kebetulan, mungkin membuka jalan bagi penerapan kuantum baru, mendorong batas-batas dari apa yang kami pikir mungkin terjadi.”
Dalam lompatan maju yang signifikan bagi nanofotonik kuantum, tim fisikawan Eropa dan Israel, memperkenalkan jenis rongga polaritonik baru dan mendefinisikan ulang batas pengekangan cahaya. Karya perintis ini, dirinci dalam penelitian yang diterbitkan hari ini (6 Februari) di Bahan Alami, mendemonstrasikan metode yang tidak konvensional untuk membatasi foton, mengatasi keterbatasan tradisional dalam nanofotonik.
Fisikawan telah lama mencari cara untuk memaksa foton menjadi volume yang lebih kecil. Skala panjang alami foton adalah panjang gelombang dan ketika foton dipaksa masuk ke dalam rongga yang jauh lebih kecil dari panjang gelombangnya, foton secara efektif menjadi lebih “terkonsentrasi”.
Konsentrasi ini meningkatkan interaksi dengan elektron, memperkuat proses kuantum di rongga. Namun, meskipun terdapat keberhasilan yang signifikan dalam membatasi cahaya ke dalam volume sub-panjang gelombang yang dalam, efek disipasi (penyerapan optik) tetap menjadi kendala utama.
Foton dalam rongga nano diserap dengan sangat cepat, jauh lebih cepat daripada panjang gelombang, dan disipasi ini membatasi penerapan rongga nano pada beberapa aplikasi kuantum yang paling menarik.
Rendering 3D dari 4 rongga polaritonik dengan ukuran berbeda. Kredit: Matteo Ceccanti
Desain Nanocavity yang Inovatif
kelompok penelitian Prof. Frank Koppens dari ICFO di Barcelona, Spanyol, mengatasi tantangan ini dengan menciptakan rongga nano dengan kombinasi volume sub-panjang gelombang dan masa pakai yang lebih lama.
Rongga nano ini, lebih kecil dari 100x100nm² dan setipis 3nm, membatasi cahaya untuk jangka waktu yang lebih lama. Kuncinya terletak pada penggunaan polariton hiperbolik-fonon, eksitasi elektromagnetik unik yang terjadi pada material 2D yang membentuk rongga.
Sketsa nanocavity (tampilan penampang) dan ujung medan dekat, ditumpangkan dengan simulasi distribusi medan mode rongga seperti sinar. Kredit: Matteo Ceccanti
Berbeda dengan penelitian sebelumnya mengenai rongga berbasis fonon polariton, penelitian ini menggunakan mekanisme pengurungan baru dan tidak langsung. Nanocavities diciptakan dengan pengeboran skala nano lubang pada substrat emas dengan presisi ekstrim (2-3 nanometer) seperti mikroskop berkas ion terfokus He.
Setelah membuat lubang, boron nitrida heksagonal (hBN), bahan 2D, ditransfer ke dalamnya. HBN mendukung eksitasi elektromagnetik yang disebut polariton foton hiperbolik yang mirip dengan cahaya biasa, namun dapat dibatasi pada volume yang sangat kecil.
Ketika polariton melewati tepi logam, polariton tersebut mengalami pantulan yang kuat, sehingga polariton dapat terperangkap. Metode ini menghindari pembentukan hBN secara langsung dan mempertahankan kualitas aslinya, sehingga memungkinkan foton yang sangat terbatas DAN berumur panjang di dalam rongga.
Kesan seniman tentang rongga nano dan bidang di dalamnya. Kredit: Matteo Ceccanti
Keberhasilan Eksperimental yang Mengejutkan
Penemuan ini dimulai dengan pengamatan kebetulan yang dilakukan selama proyek berbeda saat menggunakan mikroskop optik jarak dekat untuk memindai struktur material 2D. Mikroskop medan dekat memungkinkan menarik dan mengukur polariton dalam rentang spektrum inframerah menengah dan para peneliti melihat pantulan yang sangat kuat dari polariton ini dari tepi logam. Pengamatan tak terduga ini memicu penyelidikan lebih dalam, yang mengarah pada realisasi mekanisme pengurungan unik dan hubungannya dengan pembentukan nanoray.
Namun setelah membuat dan mengukur rongga tersebut, tim mendapat kejutan besar. “Pengukuran eksperimental biasanya lebih buruk daripada yang disarankan teori, namun dalam kasus ini, kami menemukan eksperimen tersebut mengungguli prediksi teoretis optimis yang disederhanakan,” kata penulis pertama Dr. Hanan Herzig Sheinfux, dari Departemen Fisika Universitas Bar-Ilan.
“Keberhasilan tak terduga ini membuka pintu bagi penerapan dan kemajuan baru dalam fotonik kuantum, mendorong batas-batas dari apa yang kami pikir mungkin terjadi.”
Dr Herzig Sheinfux melakukan penelitian dengan Prof Koppens selama masa jabatan pascadoktoralnya di ICFO. Dia bermaksud menggunakan rongga ini untuk melihat efek kuantum yang sebelumnya dianggap mustahil, serta untuk mempelajari lebih lanjut fisika yang menarik dan berlawanan dengan intuisi dari perilaku polariton fonon hiperbolik.
Referensi: “Nanocavities berkualitas tinggi melalui pengekangan multimodal polariton hiperbolik dalam boron nitrida heksagonal” 6 Februari 2024, Bahan Alami.
DOI: 10.1038/s41563-023-01785-w
NewsRoom.id
