Os pesquisadores da LSU fizeram uma descoberta significativa relacionada às propriedades fundamentais e ao comportamento das ondas plasmônicas, que pode levar ao desenvolvimento de tecnologias quânticas mais sensíveis e robustas. Crédito: LSU
Pesquisadores quânticos descobrem implicações importantes para a tecnologia quântica.
Em uma publicação recente em Física da Natureza, o LSU Quantum Photonics Group oferece novos insights sobre as características fundamentais dos plasmons de superfície, desafiando o entendimento existente. Com base em investigações experimentais e teóricas conduzidas no laboratório do Professor Associado Omar Magaña-Loaiza, estas novas descobertas marcam um avanço significativo na plasmónica quântica, possivelmente o mais notável da última década.
Repensando o comportamento plasmônico
Embora pesquisas anteriores na área tenham se concentrado predominantemente nos comportamentos coletivos dos sistemas plasmônicos, o grupo LSU adotou uma abordagem distinta. Ao ver as ondas plasmônicas como um quebra-cabeça, eles foram capazes de isolar subsistemas multipartículas ou quebrar o quebra-cabeça em peças. Isto permitiu à equipe ver como diferentes peças funcionam juntas e revelou uma imagem diferente, ou neste caso, novos comportamentos para os plasmons de superfície.
Plasmons são ondas que se movem ao longo da superfície dos metais quando a luz é acoplada para carregar oscilações. Assim como jogar pedras na água gera ondulações, os plasmons são “ondulações” que viajam ao longo de superfícies metálicas. Essas ondas minúsculas operam em escala nanométrica, o que as torna cruciais em campos como nanotecnologia e óptica.
Mecânica Quântica dos Plasmões
“O que descobrimos é que se olharmos para os subsistemas quânticos das ondas plasmônicas, podemos ver padrões inversos, padrões mais nítidos e interferência oposta, o que é completamente oposto ao comportamento clássico”, explicou Riley Dawkins, estudante de pós-graduação e co-autor do estudo. primeiro autor do estudo, que liderou a investigação teórica.
Usando luz direcionada a uma nanoestrutura de ouro e observando o comportamento da luz espalhada, o grupo quântico da LSU observou que os plasmons de superfície podem apresentar características tanto de bósons quanto de férmions, que são partículas fundamentais na física quântica. Isto significa que os subsistemas quânticos podem apresentar comportamentos não clássicos, como mover-se em diferentes direções, dependendo de condições específicas.
Implicações para tecnologias quânticas
“Imagine que você está andando de bicicleta. Você acreditaria que a maioria dos seus átomos está se movendo na mesma direção da bicicleta. E isso é verdade para a maioria deles. Mas, na verdade, existem alguns átomos que se movem na direção oposta”, explicou Magaña-Loaiza. “Uma das consequências desses resultados é que, ao compreender essas propriedades fundamentais das ondas plasmônicas e, o mais importante, esse novo comportamento, podemos desenvolver tecnologias quânticas mais sensíveis e robustas.”
Em 2007, o uso de ondas plasmônicas para antraz a detecção gerou pesquisas sobre o emprego de princípios quânticos para melhorar a tecnologia de sensores. Atualmente, os pesquisadores estão se esforçando para integrar esses princípios em sistemas plasmônicos para criar sensores com maior sensibilidade e precisão. Este avanço é uma promessa significativa em diversos campos, incluindo diagnósticos médicos, simulações de desenvolvimento de medicamentos, monitoramento ambiental e ciência da informação quântica.
Um marco na pesquisa quântica
O estudo está prestes a causar um impacto significativo no campo da plasmônica quântica, à medida que pesquisadores de todo o mundo aproveitarão as descobertas para simulações quânticas. Chenglong You, professor assistente de pesquisa e autor correspondente, enfatizou: “Nossas descobertas não apenas revelam esse novo comportamento interessante em sistemas quânticos, mas também é o sistema plasmônico quântico com o maior número de partículas de todos os tempos, e isso por si só eleva a física quântica a outro nível.”
O estudante de pós-graduação e co-autor Mingyuan Hong liderou a fase experimental do estudo. Apesar das complexidades dos sistemas plasmônicos quânticos, Hong observou que seus principais desafios durante os experimentos foram distúrbios externos. “As vibrações de diversas fontes, como a construção de estradas, representaram um desafio significativo devido à extrema sensibilidade da amostra plasmática. No entanto, finalmente conseguimos extrair propriedades quânticas de ondas plasmônicas, um avanço que aprimora tecnologias quânticas sensíveis. Esta conquista pode abrir novas possibilidades para futuras simulações quânticas.”
Intitulada “Dinâmica de campo próximo não clássica de plasmões de superfície”, a pesquisa foi conduzida inteiramente na LSU. “Todos os autores deste estudo são afiliados à LSU Physics & Astronomy. Temos até um coautor que na época era estudante do ensino médio, do qual tenho muito orgulho”, disse Magaña-Loaiza.
A ilustração à esquerda mostra um feixe de laser vermelho excitando ondas plasmônicas na superfície de uma nanoestrutura metálica (ouro). Estas são então espalhadas pela fenda para produzir sistemas multipartículas com propriedades quânticas específicas. Esses sistemas multipartículas são indicados pelas esferas. Nosso manuscrito descreve a dinâmica quântica por trás desse processo.
Esta nova pesquisa é precedida por “Observação da Modificação das Estatísticas Quânticas de Sistemas Plasmônicos” em Comunicações da Natureza.
Referências:
“Dinâmica de campo próximo não clássica de plasmons de superfície” por Mingyuan Hong, Riley B. Dawkins, Benjamin Bertoni, Chenglong You e Omar S. Magaña-Loaiza, 29 de fevereiro de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02426-y
Chenglong You, Mingyuan Hong, Narayan Bhusal, Jinnan Chen, Mario A. Quiroz-Juarez, Joshua Fabre, Fatemeh Mostafavi, Junpeng Guo, Israel De Leon, Roberto de J. Leon -Montiel e Omar S. Magaña-Loaiza, 27 de agosto, 2021, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-021-25489-4
O Grupo de Fotônica Quântica do Departamento de Física e Astronomia da LSU investiga novas propriedades da luz e seu potencial para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. A equipe também conduz pesquisas experimentais nas áreas de plasmônica quântica, imagem quântica, metrologia quântica, simulação quântica, comunicação quântica e criptografia quântica.
