Вакуум и его флуктуации
Вакуум часто считают пустым, но на самом деле он наполнен мимолётными энергетическими флуктуациями — виртуальными фотонами, которые возникают и исчезают, взаимодействуя с материей и порождая новые, потенциально полезные свойства.
Использование оптических полостей
Исследователи применяют оптические полости — структуры из зеркал, обращённых друг к другу, — чтобы ограничить эти флуктуации и использовать их для создания новых форм материи.
Новая конструкция полости
Традиционные оптические полости усиливают флуктуации или вакуумные поля для света с правой и левой круговой поляризацией. Исследователи из Университета Райса и их коллеги разработали новую конструкцию полости, которая избирательно усиливает квантовые вакуумные флуктуации света с круговой поляризацией в одном направлении, достигая хиральности — результата, который обычно требует использования сильного магнитного поля.
Согласно исследованию, опубликованному в Nature Communications, исследовательская группа под руководством Джуничиро Коно использовала слегка легированный антимонид индия для создания хиральной полости. Исследователи также провели комплексные теоретические исследования, чтобы предсказать, как новая конструкция полости изменит свойства материалов, помещённых в неё.
Преобразование графена
Они обнаружили, что графен — прочный и лёгкий одноатомный слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решётке, — можно превратить в специальный изолятор, полезный в приложениях квантовых вычислений.
Новая конструкция хиральной полости открывает возможность контроля свойств материалов без необходимости использования высоких магнитных полей или других внешних стимулов.
Инновационный подход
В отличие от традиционных подходов, которые полагаются на сильный магнетизм или другие экстремальные условия для индуцирования трансформаций материалов, предложенная модель предлагает преобразовывать материал, просто помещая его в полость.
«Наша хиральная полость предлагает платформу для использования тонких, но мощных квантовых эффектов вакуума для создания новых свойств материалов, потенциально прокладывая путь для новых квантовых устройств и технологий», — сказал Коно, профессор инженерии Карла Ф. Хасселмана в Университете Райса.
Оптимизация конструкции полости
Для достижения этой цели команда включила слегка легированный антимонид индия — распространённый полупроводник, используемый в инфракрасных детекторах — в фотонно-кристаллическую полость, которая, как известно, способствует сильным и продолжительным взаимодействиям света и материи.
«Выбор использования слегка легированного антимонида индия для создания полости сыграл решающую роль — это позволило нам превратить обычную оптическую полость в хиральную, используя слабое магнитное поле», — сказал Андрей Байдин, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Райса.
Использование численного моделирования
Чтобы оптимизировать конструкцию полости, Тай сотрудничал с Алессандро Алабастри, доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Райса, и Стивеном Сандерсом, постдокторантом в лаборатории Алабастри, для разработки серии численных симуляций.
«Симуляции позволили нам усовершенствовать конструкцию полости без необходимости изготовления физических прототипов, что не только значительно ускорило процесс разработки, но и помогло нам исследовать более широкий спектр параметров конструкции», — сказал Алабастри.
Многомасштабный подход
Чтобы понять, как хиральная полость повлияет на материал, помещённый в неё, исследователи использовали комплексный мультимасштабный подход, объединяющий классическую и квантовую физику. Они составили карты профилей электромагнитных полей внутри полости в рамках классической модели.
Они также использовали теорию функционала плотности для получения электронных свойств целевого материала и модель квантовой электродинамики полости для описания взаимодействий света и материи на квантовом уровне.
«Этот гибридный подход позволил нам сделать гораздо более реалистичные прогнозы», — сказала Серен Даг, доцент Индианского университета и физик-теоретик, участвовавшая в исследовании.
Результаты исследования
Графен послужил примером для изучения того, как материал реагирует при помещении в хиральную полость. «Основываясь на наших расчётах, мы предсказали, что помещение графена в эту полость открывает запрещённую зону, которая изменяет его топологические свойства и превращает его в особый вид изолятора, который будет полезен для создания новых типов квантовых устройств», — сказала Даг.
«Помимо определения нового квантового состояния для графена, созданная нами структура может быть распространена на другие материалы, помещённые в хиральную полость», — сказал Василий Рокай, доцент Университета Вилланова и соавтор исследования.
Коно сказал, что «новая конструкция полости предоставляет беспристрастную, универсальную и практическую платформу для исследователей, чтобы изучить, как хиральные вакуумные флуктуации могут взаимодействовать с материей и модифицировать её. Эта основополагающая работа открывает дверь в новую область инженерии — создание новых квантовых материалов путём простой перестройки вакуума».