Dans Physique de la nature , le LSU Quantum Photonics Group offre de nouvelles perspectives sur les caractéristiques fondamentales des plasmons de surface, remettant en question les connaissances existantes. Basées sur des recherches expérimentales et théoriques menées dans le laboratoire du professeur agrégé Omar Magaña-Loaiza, ces nouvelles découvertes marquent une avancée significative dans la plasmonique quantique, probablement la plus remarquable de la dernière décennie.

Alors que les recherches antérieures dans le domaine se sont principalement concentrées sur les comportements collectifs des systèmes plasmoniques, le groupe LSU a adopté une approche distincte. En considérant les ondes plasmoniques comme un puzzle, ils ont pu isoler des sous-systèmes multiparticulaires ou décomposer le puzzle en morceaux. Cela a permis à l'équipe de voir comment différents éléments fonctionnent ensemble et a révélé une image différente, ou dans ce cas, de nouveaux comportements pour les plasmons de surface.

Les plasmons sont des ondes qui se déplacent à la surface des métaux lorsque la lumière est couplée à des oscillations de charge. Tout comme lancer des cailloux dans l’eau génère des ondulations, les plasmons sont des « ondulations » se déplaçant le long des surfaces métalliques. Ces ondes minuscules fonctionnent à l'échelle nanométrique, ce qui les rend cruciales dans des domaines tels que la nanotechnologie et l'optique.

"Ce que nous avons découvert, c'est que si nous examinons les sous-systèmes quantiques des ondes plasmoniques, nous pouvons voir des schémas inverses, des schémas plus nets et des interférences opposées, ce qui est complètement opposé au comportement classique", a expliqué Riley Dawkins, étudiant diplômé et co- premier auteur de l'étude, qui a dirigé l'enquête théorique.

En utilisant la lumière dirigée vers une nanostructure d'or et en observant le comportement de la lumière diffusée, le groupe quantique du LSU a observé que les plasmons de surface peuvent présenter les caractéristiques des bosons et des fermions, qui sont des particules fondamentales en physique quantique. Cela signifie que les sous-systèmes quantiques peuvent présenter des comportements non classiques, comme se déplacer dans des directions différentes, en fonction de conditions spécifiques.

"Imaginez que vous faites du vélo. Vous croiriez que la plupart de vos atomes se déplacent dans la même direction que le vélo. Et cela est vrai pour la plupart d'entre eux. Mais en fait, certains atomes se déplacent dans la direction opposée." a expliqué Magaña-Loaiza.

"L'une des conséquences de ces résultats est qu'en comprenant ces propriétés très fondamentales des ondes plasmoniques, et surtout ce nouveau comportement, on peut développer des technologies quantiques plus sensibles et plus robustes."

En 2007, l'utilisation d'ondes plasmoniques pour la détection du charbon a déclenché des recherches sur l'utilisation de principes quantiques pour améliorer la technologie des capteurs.

Actuellement, les chercheurs s’efforcent d’intégrer ces principes dans des systèmes plasmoniques pour créer des capteurs dotés d’une sensibilité et d’une précision accrues. Cette avancée est très prometteuse dans divers domaines, notamment le diagnostic médical, les simulations de développement de médicaments, la surveillance environnementale et la science de l'information quantique.

L’étude est sur le point d’avoir un impact significatif sur le domaine de la plasmonique quantique, car les chercheurs du monde entier exploiteront les résultats pour des simulations quantiques. Chenglong You, professeur adjoint de recherche et auteur correspondant, a déclaré :« Nos découvertes dévoilent non seulement ce nouveau comportement intéressant dans les systèmes quantiques, mais il s'agit également du système plasmonique quantique avec le plus grand nombre de particules jamais enregistré, et cela à lui seul élève la physique quantique au rang. un autre niveau."

L'étudiant diplômé et co-premier auteur Mingyuan Hong a dirigé la phase expérimentale de l'étude. Malgré la complexité des systèmes plasmoniques quantiques, Hong a noté que ses principaux défis lors des expériences étaient les perturbations externes.

"Les vibrations provenant de diverses sources, telles que la construction de routes, ont posé un défi important en raison de l'extrême sensibilité de l'échantillon plasmique. Néanmoins, nous avons finalement réussi à extraire les propriétés quantiques des ondes plasmoniques, une percée qui améliore les technologies quantiques sensibles. Cette réalisation pourrait ouvrent de nouvelles possibilités pour les futures simulations quantiques."

Intitulée « Dynamique non classique en champ proche des plasmons de surface », la recherche a été entièrement menée au LSU. "Tous les auteurs de cette étude sont affiliés à LSU Physics &Astronomy. Nous avons même un co-auteur qui était alors lycéen, ce dont je suis très fier", a déclaré Magaña-Loaiza. Cette nouvelle recherche est précédée de travaux antérieurs du LSU.

Plus d'informations : Mingyuan Hong et al, Dynamique non classique en champ proche des plasmons de surface, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02426-y

Informations sur le journal : Physique de la nature

Fourni par l'Université d'État de Louisiane