Les scientifiques de l'Université Rice sont connus pour leurs recherches exceptionnelles, mais un nouvel article dirigé par le physicien Junichiro Kono fait clairement ressortir ce point.

La découverte de points exceptionnels dans un matériau unique créé par le laboratoire de Kono est l'une des nombreuses révélations d'un article paru dans Photonique de la nature .

Ces singularités spectrales sont au centre d'un autre phénomène, la nouvelle capacité de l'équipe à ajuster en permanence la transition entre le couplage faible et ultra-fort de la lumière et de la matière confinée dans le vide. Cette capacité peut donner aux chercheurs l'opportunité d'explorer de nouvelles technologies quantiques telles que le stockage avancé d'informations ou les lasers unidimensionnels.

Kono et ses collègues ont une expertise dans le regroupement de photons et d'excitons (paires électron-trou liées) dans les solides pour former de la matière condensée dans un puits quantique. Ils ont rendu compte de leur capacité à le faire en manipulant des électrons avec de la lumière et un champ magnétique en 2016. La même année, ils ont annoncé leur capacité à faire très aligné, films de la taille d'une plaquette de nanotubes de carbone à paroi unique.

Dans le nouveau travail, Le chercheur postdoctoral et auteur principal de Kono et Rice, Weilu Gao, a combiné les techniques des articles précédents et utilisé la lumière polarisée pour déclencher la formation de quasiparticules connues sous le nom de polaritons - lumière et matière fortement couplées - à l'intérieur des nanotubes unidimensionnels dans une cavité à température ambiante. Parce que les polaritons ne peuvent résonner que sur la longueur des nanotubes alignés, ils apparaissent lorsque la lumière entrante est polarisée dans la même direction. Lorsqu'il est tourné à 90 degrés, les polaritons disparaissent progressivement.

L'angle de polarisation auquel les polaritons apparaissent et disparaissent est connu comme le point exceptionnel, et ni Kono ni Gao ne considéraient cela important jusqu'à ce qu'un ami théoricien intervienne.

« Découvrir le point était important, et surprenant, " dit Kono. " Dans notre première version du papier, nous ne l'avons pas vraiment souligné. Mais pendant qu'il était en cours d'examen, nous avons montré les données à un théoricien et il a souligné, « Vous avez cette caractéristique en forme de point de Dirac ici. » Nous avons commencé à l'examiner plus attentivement, et effectivement il y avait un point exceptionnel."

Les points de Dirac sont une caractéristique du graphène; ils apparaissent là où les bandes de conduction et de valence du matériau se connectent pour en faire un parfait conducteur d'électricité. Dans les matériaux semi-conducteurs, la séparation énergétique entre les bandes détermine la bande interdite du matériau.

Des points exceptionnels ont été étudiés dans d'autres contextes; dans des expériences récentes, les scientifiques ont montré que la lumière elle-même pouvait être ralentie ou arrêtée à un tel point.

"Beaucoup des propriétés anormales des électrons dans le graphène sont liées à l'existence de ce point spécial, appelé la pointe de Dirac, ou point zéro énergie, " a déclaré Kono. " La structure de bande du graphène est complètement non traditionnelle par rapport aux semi-conducteurs solides comme l'arséniure de gallium ou le silicium, qui ont des bandes de conduction et de valence qui définissent leur bande interdite.

"Dans notre cas, nous avons une sorte de bande interdite entre les polaritons supérieur et inférieur lorsque la lumière polarisée est parallèle aux films, mais tourner la polarisation de la lumière change tout. Lorsque vous atteignez le point exceptionnel, la bande interdite se ferme et les polaritons disparaissent."

Kono a déclaré que le travail démontre également que les nanotubes alignés coopèrent les uns avec les autres. "La division de Rabi sous vide (une mesure de la force de couplage entre les photons dans le vide et les électrons dans le film solide) augmente à mesure que nous augmentons le nombre de nanotubes, ", a-t-il déclaré. "C'est la preuve que les nanotubes coopèrent de manière cohérente lorsqu'ils interagissent avec les photons de la cavité."

Gao a déclaré que l'expérience Rice suggérait qu'un moyen pourrait être trouvé pour créer des photons - des particules élémentaires de lumière - à partir du vide. Cela pourrait être important pour le stockage au niveau quantique comme moyen d'extraire des données à partir de qubits.

« Il existe des propositions théoriques pour convertir des photons virtuels en photons réels, parfois appelés photons de Casimir, " dit Kono. " Nous pourrions avoir de la matière à l'intérieur d'une cavité interagissant avec le vide, et lorsque nous déclenchons le système d'une manière ou d'une autre, nous détruisons le couplage, et soudain des photons sortent. C'est une expérience que nous voulons faire, car produire des photons à la demande à partir d'un vide serait cool."