Zhe Fei indicò le linee verticali chiare e scure che attraversavano lo schermo del suo computer. Questa nano-immagine, Lui ha spiegato, mostra le onde associate a una penombra, quasiparticella di semimateria che si muove all'interno di un semiconduttore.

"Queste sono onde proprio come le onde dell'acqua, " disse Fei, un assistente professore di fisica e astronomia della Iowa State University e un associato dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "È come far cadere una roccia sulla superficie dell'acqua e vedere le onde. Ma queste onde sono eccitoni-polaritoni".

Eccitone-polaritoni sono una combinazione di luce e materia. Come tutte le quasiparticelle, sono creati all'interno di un solido e hanno proprietà fisiche come energia e quantità di moto. In questo studio, sono stati lanciati puntando un laser sulla punta affilata di un sistema di nano-imaging mirato a una sottile scaglia di diseleniuro di molibdeno (MoSe2), un semiconduttore a strati che supporta gli eccitoni.

Gli eccitoni possono formarsi quando la luce viene assorbita da un semiconduttore. Quando gli eccitoni si accoppiano fortemente con i fotoni, creano eccitoni-polaritoni.

È la prima volta che i ricercatori realizzano immagini nello spazio reale di eccitoni-polaritoni. Fei ha affermato che i precedenti progetti di ricerca hanno utilizzato studi spettroscopici per registrare polaritoni eccitoni come picchi di risonanza o cali negli spettri ottici. Fino ad anni recenti, la maggior parte degli studi ha osservato le quasiparticelle solo a temperature estremamente basse, fino a circa -450 gradi Fahrenheit.

Ma Fei e il suo gruppo di ricerca hanno lavorato a temperatura ambiente con il microscopio ottico a scansione di campo vicino nel suo laboratorio del campus per acquisire immagini nano-ottiche delle quasiparticelle.

"Siamo i primi a mostrare un'immagine di queste quasiparticelle e di come si propagano, interferire ed emettere, " ha detto Fei.

I ricercatori, Per esempio, misurato una lunghezza di propagazione superiore a 12 micron - 12 milionesimi di metro - per gli eccitoni-polaritoni a temperatura ambiente.

Fei ha affermato che la creazione di eccitoni-polaritoni a temperatura ambiente e le loro caratteristiche di propagazione sono significative per lo sviluppo di applicazioni future per le quasiparticelle. Un giorno potrebbero persino essere usati per costruire circuiti nanofotonici per sostituire i circuiti elettronici per l'energia su scala nanometrica o il trasferimento di informazioni.

Fei ha affermato che i circuiti nanofotonici con la loro ampia larghezza di banda potrebbero essere fino a 1 milione di volte più veloci degli attuali circuiti elettrici.

Un gruppo di ricerca guidato da Fei ha recentemente riportato i suoi risultati sulla rivista scientifica Fotonica della natura . Il primo autore del documento è Fengrui Hu, un associato di ricerca post-dottorato dello Stato dell'Iowa in fisica e astronomia. Altri coautori sono Yilong Luan, uno studente di dottorato in fisica e astronomia dell'Iowa State; Maria Scott, uno studente laureato di recente laurea presso l'Università di Washington; Jiaqiang Yan e David Mandrus dell'Oak Ridge National Laboratory e dell'Università del Tennessee; e Xiaodong Xu dell'Università di Washington.

Il lavoro dei ricercatori è stato sostenuto dai fondi dell'Iowa State e dell'Ames Laboratory per lanciare il programma di ricerca di Fei. Il W.M. Anche la Keck Foundation di Los Angeles ha parzialmente supportato l'imaging nano-ottico per il progetto.

I ricercatori hanno anche appreso che modificando lo spessore del semiconduttore MoSe2, potrebbero manipolare le proprietà degli eccitoni-polaritoni.

Fei, che ha studiato quasiparticelle in grafene e altri materiali 2-D sin dai tempi della scuola di specializzazione presso l'Università della California a San Diego, ha detto che il suo lavoro precedente ha aperto le porte agli studi sugli eccitoni-polaritoni.

"Dobbiamo esplorare ulteriormente la fisica degli eccitoni-polaritoni e come queste quasiparticelle possono essere manipolate, " Egli ha detto.

Ciò potrebbe portare a nuovi dispositivi come i transistor polaritoni, Fei ha detto. E questo potrebbe un giorno portare a scoperte nelle tecnologie fotoniche e quantistiche.