L'interazione tra luce e materia racchiude uno straordinario spettro di fenomeni, dalla fotosintesi ai colori accattivanti di arcobaleni e ali di farfalla. Per quanto diverse possano essere queste manifestazioni, implicano un accoppiamento luce-materia molto debole, in sostanza, la luce interagisce con il sistema materiale ma non ne modifica le proprietà di base. Sorge un insieme di fenomeni distintamente diverso, però, per sistemi che sono artificialmente progettati per massimizzare l'accoppiamento luce-materia. Allora possono emergere intriganti stati quantistici che non sono né luce né materia, ma un ibrido dei due. Tali stati sono di grande interesse da un punto di vista fondamentale nonché per la creazione di nuove funzionalità, ad esempio per consentire interazioni tra fotoni. Gli accoppiamenti più forti fino ad oggi sono stati realizzati con materiali semiconduttori confinati in minuscole cavità fotoniche. In questi dispositivi l'accoppiamento viene tipicamente aumentato rendendo la cavità sempre più piccola. Ma anche se le sfide di fabbricazione associate possono essere affrontate, l'approccio sta per incontrare limiti fisici fondamentali, come un team guidato dai professori Giacomo Scalari e Jérôme Faist presso l'Institute of Quantum Electronics riportano in un articolo pubblicato oggi in Fotonica della natura . Con questo lavoro, fissano limiti quantitativi alla miniaturizzazione di tali dispositivi nanofotonici.

Di forza in forza...

Negli ultimi quattro decenni, sono state sviluppate diverse piattaforme per ottenere un forte accoppiamento tra luce e materia. Tra loro, spicca quella sperimentalmente pionieristica di Scalari nel gruppo Faist, in quanto quasi ininterrottamente dal 2011 fornisce uno degli accoppiamenti luce-materia più resistenti realizzati su tutte le piattaforme. È importante sottolineare che nel corso di stabilire record sempre nuovi, hanno raggiunto il regime "ultraforte", dove l'accoppiamento luce-materia è paragonabile alle energie rilevanti del sistema di materia disaccoppiato, dando accesso a una ricchezza di nuovi fenomeni.

Al centro della loro piattaforma da record ci sono i cosiddetti risonatori metallici ad anello diviso (vedere la figura), in cui i campi elettromagnetici possono essere localizzati in volumi estremamente ridotti, ben al di sotto della lunghezza d'onda della luce, tipicamente radiazione terahertz (THz) coinvolta. Le lacune micrometriche di questi risonatori sono caricate con pozzi quantici di semiconduttori che possiedono proprietà elettroniche adeguate, per fungere da sistema di materia. Un percorso naturale per aumentare l'accoppiamento tra le eccitazioni nei pozzi quantici e la luce confinata nel risonatore è quindi ridurre l'ampiezza del gap (d nella figura). Ma quanto forte possa essere progettato in questo modo un accoppiamento è rimasto una questione aperta.

…ma nei limiti

Shima Rajabali, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Scalari e Faist, grazie ai pozzi quantistici coltivati ​​dal loro scienziato senior Mattias Beck e uno studio teorico di Simone De Liberato ed Erika Cortese presso l'Università di Southampton (Regno Unito), hanno ora esplorato teoricamente e sperimentalmente se esiste un limite fisico fondamentale al confinamento della sottolunghezza d'onda in tali sistemi. Il team ha scoperto che effettivamente esiste:se il campo elettromagnetico è concentrato in volumi sempre più piccoli, poi ad un certo punto la natura stessa degli stati ibridi luce-materia (nel loro caso questi sono noti come polaritoni) inizia a cambiare. Questo cambiamento fondamentale nelle caratteristiche polaritoniche a sua volta impedisce un ulteriore aumento della forza di accoppiamento.

Questa limitazione non è uno scenario lontano. Nei dispositivi nanofotonici all'avanguardia le firme di questo cambiamento di paradigma sono già state riscontrate. Solo che non c'è stata una chiara comprensione delle ragioni sottostanti. Questa lacuna è ora colmata da Rajabali et al. Anche, il loro nuovo quadro sviluppato potrebbe applicarsi non solo ai dispositivi specifici che hanno studiato, ma anche ad altri sistemi nano-ottici, ad esempio quelli a base di grafene o dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), e per geometrie di risonatore diverse dai risonatori ad anello diviso. Come tale, il nuovo lavoro dovrebbe fornire limiti quantitativi generali all'accoppiamento della materia leggera.

Andare fuori dal locale

Al fine di esplorare le limitazioni all'aumento dell'accoppiamento luce-materia diminuendo il volume della lunghezza d'onda inferiore a cui è confinata la luce, il team ha sviluppato un quadro teorico le cui previsioni hanno testato sperimentalmente e in simulazioni al computer. Una scoperta chiave è stata che alle scale di lunghezza più piccole considerate - hanno esaminato dispositivi con spazi vuoti fino a 250 nanometri - sono emersi effetti non locali. Questi sono dovuti al fatto che al di sotto di una scala di lunghezza critica, poiché viene fornito un grande momento nel piano per i vettori, il campo luminoso strettamente confinato nel risonatore si accoppia non solo agli stati elettronici vincolati del pozzo quantistico, ma a un continuum di eccitazioni ad alto momento originato da una nota dispersione plasmonica bidimensionale nel pozzo quantistico. Questo apre nuovi canali di perdita, alla fine cambiando in modo fondamentale il modo in cui luce e materia interagiscono in questi dispositivi nanofotonici.

Rajabali e colleghi mostrano che questa trasformazione in un regime governato dalla non località polaritonica dà origine a fenomeni che non possono essere riprodotti dalle teorie quantistiche classiche e lineari normalmente utilizzate per modellare l'interazione tra luce e materia. In altre parole, possiamo essere certi che molto resta da esplorare nell'affascinante arena dell'interazione luce-materia.