Wiadomości

Polsko-niemiecki zespół fizyków i chemików kwantowych, koordynowany przez dr Karolinę Słowik z Instytutu Fizyki UMK, wskazał na nową możliwość wydłużenia czasu życia układów atomowych w otoczeniu nanoanten. Wyniki badań zostały przedstawione w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Communications.

Przedmiotem prowadzonych badań było zagadnienie oddziaływań układów atomowych ze światłem w bliskim otoczeniu nanostruktur metalicznych. Takie nanostruktury, rozmiarów tysiąckrotnie mniejszych od przekroju włosa ludzkiego, działają jak malutkie anteny dostrojone rozmiarem do optycznych długości światła (ułamki mikrometrów). Nanoanteny, w analogii do ich znanych powszechnie makroskopowych wzorców oddziałujących z falami radiowymi, mają zdolność skupiania promieniowania światła widzialnego do obszarów przestrzennych istotnie mniejszych od długości fali.

Zakres optyczny odpowiada długościom fal, z którymi „chętnie” oddziałują układy atomowe: atomy, cząsteczki, defekty sieci krystalicznych, a nawet sztuczne twory zwane kropkami kwantowymi. Jeśli układ atomowy znajdzie się w pobliżu nanoanteny, tj. w miejscu skupienia promieniowania świetlnego, jego oddziaływanie ze światłem jest niezwykle intensywne: skupione promieniowanie ma znacznie większą energię w przeliczeniu na jednostkę objętości więc wymiana energii między światłem a układem atomowym zachodzi znacznie szybciej niż miałoby to miejsce w „zwykłych” warunkach. Ponadto, ze względu na szybkie zmiany natężenia pola w przestrzeni, uaktywniają się zwykle mało znaczące kanały oddziaływania, związane np. z obecnością pola magnetycznego.

Współistnienie kilku kanałów oddziaływania otwiera możliwość nakładania się ich wpływów w zjawisku interferencji. To właśnie ten aspekt został zbadany przez zespół, który wskazał przykładowe warunki w jakich poprzez interferencję można by potencjalnie modulować szybkość oddziaływań, w szczególności czas życia układów atomowych w stanie wzbudzonym. Czas ten jest zawsze ograniczony ze względu na oddziaływanie z otaczającym układ polem elektromagnetycznym. Jak wykazali badacze, czas życia w stanie wzbudzonym mógłby zostać wydłużony dzięki destruktywnej interferencji uaktywnionych w obecności nanoanten kanałów oddziaływań z polem. Układy atomowe o długim czasie życia w stanie wzbudzonym mogą być zastosowane m.in. jako pamięć do przechowywania informacji kwantowej w miniaturowych układach scalonych.

Badania były prowadzone we współpracy zespołów badawczych z Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech oraz naukowców z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Grupy niemieckie kierowane przez C. Rockstuhla i F. Weigenda specjalizują się odpowiednio w modelowaniu teoretycznym odpowiedzi optycznej nanostruktur oraz w dziedzinie chemii kwantowej. W skład zespołu z UMK weszli mgr Piotr Gładysz, dr Andrzej Kędziorski i dr Karolina Słowik.

Efekty zostały opisane w artykule Enhancement of and interference among higher order multipole transitions in molecules near a plasmonic nanoantenna na łamach Nature Communications. Badania uzyskały m.in. wsparcie finansowe Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, Narodowego Centrum Nauki oraz Deutsche Forschungsgemeinschaft.