Gli scienziati della Rice University sono noti per la ricerca eccezionale, ma un nuovo articolo condotto dal fisico Junichiro Kono rende questo punto nel modo più letterale.

La scoperta di punti eccezionali in un materiale unico creato dal laboratorio di Kono è una delle numerose rivelazioni in un articolo che appare in Fotonica della natura .

Queste singolarità spettrali sono centrali per un altro fenomeno, la nuova capacità del team di sintonizzare continuamente la transizione tra l'accoppiamento debole e ultra-forte di luce e materia confinata nel vuoto. Questa capacità può offrire ai ricercatori l'opportunità di esplorare nuove tecnologie quantistiche come l'archiviazione avanzata delle informazioni o i laser unidimensionali.

Kono e i suoi colleghi hanno esperienza nel raggruppare fotoni ed eccitoni (coppie elettrone-lacuna legate) nei solidi per formare materia condensata in un pozzo quantistico. Hanno riferito della loro capacità di farlo manipolando gli elettroni con la luce e un campo magnetico nel 2016. Nello stesso anno, hanno annunciato la loro capacità di rendere altamente allineati, film di dimensioni wafer di nanotubi di carbonio a parete singola.

Nel nuovo lavoro, Il ricercatore post-dottorato di Kono e Rice e autore principale Weilu Gao ha combinato le tecniche dei documenti precedenti e ha utilizzato la luce polarizzata per innescare la formazione di quasiparticelle note come polaritoni - luce e materia fortemente accoppiate - all'interno dei nanotubi unidimensionali in una cavità a temperatura ambiente. Poiché i polaritoni possono risuonare solo lungo la lunghezza dei nanotubi allineati, appaiono quando la luce in ingresso è polarizzata nella stessa direzione. Quando ruotato di 90 gradi, i polaritoni scompaiono progressivamente.

L'angolo di polarizzazione in cui compaiono e scompaiono i polaritoni è noto come punto eccezionale, e né Kono né Gao lo consideravano importante finché non intervenne un amico teorico.

"Scoprire il punto era importante, e sorprendente, " ha detto Kono. "Nella nostra prima versione del giornale, non l'abbiamo davvero enfatizzato. Ma mentre era in fase di revisione, abbiamo mostrato a un teorico i dati e ha sottolineato, "Qui hai questa caratteristica puntiforme di Dirac." Abbiamo iniziato a guardarlo più attentamente, e in effetti c'era un punto eccezionale."

I punti di Dirac sono una caratteristica del grafene; appaiono dove le bande di conduzione e di valenza del materiale si connettono per renderlo un perfetto conduttore di elettricità. Nei materiali semiconduttori, la separazione energetica tra le bande determina il band gap del materiale.

Punti eccezionali sono stati studiati in altri contesti; in recenti esperimenti, gli scienziati hanno dimostrato che la luce stessa potrebbe essere rallentata o fermata proprio in un punto del genere.

"Molte delle proprietà anomale degli elettroni nel grafene sono legate all'esistenza di questo punto speciale, chiamato il punto di Dirac, o punto zero di energia, " ha detto Kono. "La struttura a bande del grafene è completamente non tradizionale rispetto ai semiconduttori solidi come l'arseniuro di gallio o il silicio, che hanno bande di conduzione e di valenza che definiscono il loro gap di banda.

"Nel nostro caso, abbiamo una sorta di band gap tra i polaritoni superiore e inferiore quando la luce polarizzata è parallela ai film, ma girando la polarizzazione della luce cambia tutto. Quando raggiungi il punto eccezionale, il band gap si chiude e i polaritoni scompaiono."

Kono ha affermato che il lavoro dimostra anche che i nanotubi allineati cooperano tra loro. "La scissione del Rabi nel vuoto (una misura della forza di accoppiamento tra i fotoni nel vuoto e gli elettroni nel film solido) aumenta all'aumentare del numero di nanotubi, " ha detto. "Questa è la prova che i nanotubi cooperano coerentemente mentre interagiscono con i fotoni della cavità".

Gao ha detto che l'esperimento Rice ha suggerito che si potrebbe trovare un modo per creare fotoni - particelle elementari di luce - dal vuoto. Questo potrebbe essere importante per l'archiviazione a livello quantistico come modo per estrarre i dati dai qubit.

"Ci sono proposte teoriche per convertire fotoni virtuali in fotoni reali, a volte chiamati fotoni di Casimir, " disse Kono. "Potremmo avere della materia all'interno di una cavità che interagisce con il vuoto, e quando attiviamo il sistema in qualche modo distruggiamo l'accoppiamento, e all'improvviso escono fotoni. Questo è un esperimento che vogliamo fare, perché produrre fotoni su richiesta dal vuoto sarebbe fantastico."