In Fisica della Natura , il Quantum Photonics Group della LSU offre nuove conoscenze sui tratti fondamentali dei plasmoni di superficie, sfidando la comprensione esistente. Basate su indagini sperimentali e teoriche condotte nel laboratorio del professore associato Omar Magaña-Loaiza, queste nuove scoperte segnano un progresso significativo nella plasmonica quantistica, forse il più degno di nota negli ultimi dieci anni.

Mentre la ricerca precedente nel campo si era concentrata prevalentemente sui comportamenti collettivi dei sistemi plasmonici, il gruppo LSU ha adottato un approccio distinto. Considerando le onde plasmoniche come un puzzle, sono stati in grado di isolare sottosistemi multiparticellari o di scomporre il puzzle in pezzi. Ciò ha permesso al team di vedere come i diversi pezzi lavorano insieme e ha rivelato un quadro diverso o, in questo caso, nuovi comportamenti per i plasmoni di superficie.

I plasmoni sono onde che si muovono lungo la superficie dei metalli quando la luce è accoppiata a oscillazioni di carica. Proprio come lanciare sassi nell'acqua genera increspature, i plasmoni sono "increspature" che viaggiano lungo le superfici metalliche. Queste onde minuscole operano su scala nanometrica, il che le rende cruciali in campi come la nanotecnologia e l'ottica.

"Quello che abbiamo scoperto è che se osserviamo i sottosistemi quantistici delle onde plasmoniche, possiamo vedere schemi inversi, schemi più nitidi e interferenze opposte, che sono completamente opposte al comportamento classico", ha spiegato Riley Dawkins, uno studente laureato e co-autore. primo autore dello studio, che ha condotto l'indagine teorica.

Usando la luce puntata su una nanostruttura d'oro e osservando il comportamento della luce diffusa, il gruppo quantistico della LSU ha osservato che i plasmoni di superficie possono mostrare caratteristiche sia dei bosoni che dei fermioni, che sono particelle fondamentali nella fisica quantistica. Ciò significa che i sottosistemi quantistici possono mostrare comportamenti non classici, come muoversi in direzioni diverse, a seconda di condizioni specifiche.

"Immagina di andare in bicicletta. Penseresti che la maggior parte dei tuoi atomi si muovano nella stessa direzione della bicicletta. E questo è vero per la maggior parte di loro. Ma in realtà, ci sono alcuni atomi che si muovono nella direzione opposta." ha spiegato Magaña-Loaiza.

"Una delle conseguenze di questi risultati è che comprendendo queste proprietà fondamentali delle onde plasmoniche e, soprattutto, questo nuovo comportamento, è possibile sviluppare tecnologie quantistiche più sensibili e robuste."

Nel 2007, l'uso delle onde plasmoniche per il rilevamento dell'antrace ha dato il via alla ricerca sull'impiego dei principi quantistici per migliorare la tecnologia dei sensori.

Attualmente, i ricercatori stanno cercando di integrare questi principi nei sistemi plasmonici per creare sensori con maggiore sensibilità e precisione. Questo progresso rappresenta una promessa significativa in diversi campi, tra cui la diagnostica medica, le simulazioni di sviluppo di farmaci, il monitoraggio ambientale e la scienza dell'informazione quantistica.

Lo studio è destinato ad avere un impatto significativo nel campo della plasmonica quantistica, poiché i ricercatori di tutto il mondo sfrutteranno i risultati per le simulazioni quantistiche. Chenglong You, professore associato di ricerca e autore corrispondente, ha dichiarato:"Le nostre scoperte non solo svelano questo nuovo interessante comportamento nei sistemi quantistici, ma è anche il sistema plasmonico quantistico con il maggior numero di particelle mai visto, e questo da solo eleva la fisica quantistica a un altro livello."

Lo studente laureato e co-primo autore Mingyuan Hong ha guidato la fase sperimentale dello studio. Nonostante la complessità dei sistemi plasmonici quantistici, Hong ha notato che le sfide principali durante gli esperimenti erano i disturbi esterni.

"Le vibrazioni provenienti da varie fonti, come la costruzione di strade, hanno rappresentato una sfida significativa a causa dell'estrema sensibilità del campione plasmico. Tuttavia, alla fine siamo riusciti a estrarre proprietà quantistiche dalle onde plasmoniche, una svolta che migliora le tecnologie quantistiche sensibili. Questo risultato potrebbe aprire nuove possibilità per future simulazioni quantistiche."

Intitolata "Dinamica non classica del campo vicino dei plasmoni di superficie", la ricerca è stata condotta interamente presso la LSU. "Tutti gli autori di questo studio sono affiliati alla LSU Physics &Astronomy. Abbiamo anche un coautore che all'epoca era uno studente delle scuole superiori, cosa di cui sono molto orgoglioso", ha affermato Magaña-Loaiza. Questa nuova ricerca è preceduta da un precedente lavoro della LSU.

Ulteriori informazioni: Mingyuan Hong et al, Dinamica non classica del campo vicino dei plasmoni di superficie, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02426-y

Informazioni sul giornale: Fisica della Natura

Fornito dalla Louisiana State University