Işık hızlıdır ancak uzun dalga boylarında hareket eder ve kendisiyle zayıf bir şekilde etkileşime girer. Maddeyi oluşturan parçacıklar çok küçüktür ve birbirleriyle güçlü bir etkileşime girerler ancak yavaş hareket ederler. İkisi birlikte, kısmen ışık, kısmen madde olan, polariton adı verilen hibrit bir yarı parçacık halinde birleşebilir.
Bugün yayınlanan yeni bir makalede KimyaColumbia kimyagerlerinden oluşan bir ekip, her iki dünyanın da en iyisini elde etmek için madde ve ışığın nasıl birleştirileceğini belirledi: güçlü etkileşimlere ve hızlı, dalga benzeri akışa sahip polaritonlar. Bu ayırt edici davranışlar, optik bilgisayarlara ve diğer ışık tabanlı kuantum cihazlarına güç sağlamak için kullanılabilir.
Columbia’da kimya doçenti Milan Delor, “Araştırmamıza rehberlik edecek ‘mükemmel’ kutuplaşma için bir taktik kitabı yazdık ve güçlü ışık-madde etkileşimleri üzerinde çalışan tüm alanın bunu yapacağını umuyoruz” dedi.
Delor’un laboratuvarı özellikle, ışığı oluşturan parçacıklar olan fotonların bir malzemedeki uyarılmış elektronlardan gelen enerjiyle birleştiğinde oluşan, eksiton-polaritonlar olarak bilinen şeyle ilgileniyor. Özellikle ışık tabanlı, yüksek hızlı optik bilgisayarlar oluşturma konusunda umut vericidirler.
Bilgisayarlar, çalışmak için bilginin nasıl iletildiğini düzenlemek üzere açılıp kapanan küçük kapılardan oluşan bir sisteme dayanır. Günümüzün elektronik bilgisayarlarında bu kapılar, elektronların birbirleriyle etkileşime girmesiyle açılıp kapanan transistörlerdir. Eğer fotonlar etkileşime girerse ışık, bilgi aktarmanın daha hızlı ve daha etkili bir yolunu sunabilir. Ancak bunu yapmıyorlar: Herhangi bir ışık huzmesi diğerinin içinden geçecek ve bu da yalnızca ışıkla bilgisayar kapıları oluşturmayı zorlaştıracak.
Polaritonlar tamamen ışık tabanlı bilgisayarlara güç sağlamak için ileriye doğru bir yol sunuyor. Polaritonlar, ışık bir malzemeyle kuantum düzeyinde güçlü bir şekilde etkileşime girdiğinde oluşur. Fotonlar, Delor’un grubunun ilgilendiği uyarılmış elektronlardan gelen enerji gibi uyarımların, büyük uzaysal ölçeklerde tutarlı (senkronize) hale gelmesine yardımcı oluyor; ateşböceklerinin gruplarının birlikte parlamasına benzer şekilde. Bunlardan herhangi birini rahatsız ettiğinizde etki daha büyük bütüne yayılacaktır. Polaritonlarla, bu dalga benzeri yayılma, uzun menzilli tutarlılığın bir tezahürüdür ve bilgiyi ışık hızında (veya ona oldukça yakın) ve nanoskopik ölçeklerde iletmenin potansiyel bir yoludur.
2023 yılında Delor ve ekibi, hareket halindeki eksiton-polaritonları yakalayabilen ultra hızlı bir görüntüleme tekniği geliştirdi. Tutarlılığın bir işareti olan dalgaları gördüler ama yalnızca bir noktaya kadar. Hibrit parçacıklar daha “maddeye benzer” hale geldikçe etkileşimlerini artırdılar ancak malzemedeki düzensizlik gibi gürültüye karşı artan hassasiyet nedeniyle tutarlılıklarını kaybettiler.
Delor, “Sorunu görebiliyorsunuz: Işık ve maddeyi birleştirdiğinizde, yalnızca en iyi kısımları değil, aynı zamanda en kötü kısımları da miras alırsınız” dedi. “Oyunumuz, zayıflıkları en aza indirirken, maddeden gelen güçlü etkileşimlerle ışıktan gelen tutarlılığı optimize eden sistemler bulmaktı.”
Delor, doktora sonrası araştırmacı Yongseok Hong ve Ph.D. Öğrenci Ding Xu, en iyi polariton üreten özellikleri bulmak amacıyla materyaller tasarlamaya ve test etmeye başladı. Örnekleri rastgele düzenlenmiş moleküllere sahip filmlerden, daha organize moleküler kristallere ve farklı 2 boyutlu malzemelerin sabit kafeslerine kadar uzanıyordu.
Üç yol gösterici kural belirlediler: Seçilen malzeme büyük optik absorpsiyona (ışığın maddeyle ne kadar güçlü etkileşime girebileceğinin bir ölçüsü), düşük düzensizliğe (malzemedeki kusur veya safsızlıkların sayısının bir yansıması) ve biraz doğal eksiton delokalizasyonuna (ışıkla etkileşime girmeden önce eksiton yarıçapının ne kadar büyük olduğu) sahip olmalıdır.
İkincisi, özellikle gözden kaçan bir özellikti ve eksik olan temel bileşen olduğu ortaya çıktı, çünkü bir miktar eksiton delokalizasyonu sonuçta polaritonları gürültüye karşı koruyor. Bu özellikler birlikte, güçlü polaritonik etkileşimler ve kaçınılmaz düzensizlik varlığında bile polariton tutarlılığının korunmasına yardımcı olur.
Delor, “Bu, polaritonların çokça övülen ‘ışık ve maddenin en iyilerini birleştirme’ yeteneklerinin farkına varmaları için tam da ihtiyaç duyulan şey” dedi ve bunun nadir görülen bir denge olduğunu belirtti. Üç kriterin tümüne sahip gelecek vaat eden adaylar arasında 2D halojenür perovskitler, güneş panelleri ve LED’lerde giderek daha fazla kullanılan mineraller ve geçiş metali dikalkogenitler veya TMD’ler olarak bilinen bir 2D yarı iletken sınıfı yer alıyor.
Bu yılın başlarında Delor ve meslektaşları, polaritonların dalga kılavuzlarındaki doğrusal olmayan optik etkileşimleri nasıl artırabildiğini göstermek için bir TMD kullandılar. Bunlar, ışığı bir malzeme içinde sınırlayan ve yönlendiren yapılardır ve yeni ortaya çıkan optik bilgisayarlarda kullanılanlar gibi silikon bazlı çiplerle oldukça uyumludur.
Mevcut çalışmada polariton üretme hakkında öğrendikleriyle, tek fotonların özelliklerini değiştirmek için ışığı kullanmak amacıyla dalga kılavuzlarındaki polaritonla güçlendirilmiş doğrusal olmayan etkileşimleri optimize etmeyi planlıyorlar. Bu, ışıktan yapılmış bir bilgisayar kapısının kuantum versiyonunu yaratacaktır; bu, ışığa dayalı kuantum hesaplama mimarilerini gerçekleştirmeye yönelik önemli bir adımdır.
Delor, “Optik etkileşimleri tek fotonlu doğrusal olmayan durumlar için yeterli olacak şekilde geliştirmek çok büyük bir zorluktur, ancak kuantum bilgi ve algılamada sayısız uygulamanın kilidini anında açabilir” dedi. “Bu optimize edilmiş polaritonların, bu büyük bilimsel hedefe ulaşmada son derece umut verici ve ölçeklenebilir bir yaklaşım olduğunu düşünüyoruz.”
