Polaritoner finns överallt. De är kvasipartiklar som skapas i stark och ultrasnabb växelverkan mellan ljus och materia. I ett djuplodande projekt undersöks fenomenet i tid och rum med mycket hög upplösning. På sikt kan polaritonernas unika optiska och elektroniska egenskaper komma till nytta i bland annat solceller och kvantteknologi.
Projektanslag 2019
Plasmon-exciton coupling at the attosecond-subnanometer scale: Tailoring strong light-matter interactions at room temperature
Huvudsökande:
Eva Olsson, professor i fysik
Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Paul Erhart
Ermin Malic
Timur Shegai
Umeå universitet
László Veisz
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
25 miljoner kronor under fem år
– Anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse är en dröm som går i uppfyllelse. Det tillåter oss att arbeta med samma frågeställning fast ur olika vinklar, och det ger oss fantastiska möjligheter att få genomslag för vår forskning, säger Eva Olsson, professor i fysik på Chalmers.
Hon leder ett projekt där fem forskargrupper vid Chalmers och Umeå universitet tar hjälp av både teori och experiment för att lära sig mer om polaritoner. De är en sorts kvasipartiklar som uppstår på nanonivå i stark växelverkan mellan ljus och materia. Den starka kopplingen mellan ljus och materia gör polaritonerna till hybrider med spännande optiska och elektroniska egenskaper.
– Det vackra i projektet är hur vi kompletterar och lär oss av varandra. Vi studerar samma nanostrukturer och genom att kombinera våra tekniker får vi upplösningen i mycket mindre skala än tidigare. Normalt sett studerar man stark koppling i lägre temperaturer men vi kan göra det i rumstemperatur, vilket ger många fördelar, säger Eva Olsson.
Mer detaljerad kunskap om polaritonernas egenskaper kan bana väg för nya skräddarsydda tillämpningar. Förbättrad kemisk reaktionsförmåga och kvantoptiska komponenter är några möjliga användningsområden.
Finns överallt
Polaritoner existerar inte bara i speciella labbmiljöer, utan finns överallt omkring oss, konstaterar Timur Shegai, docent i fysik på Chalmers och projektets koordinator.
– I molnen på himlen, till exempel, där det finns små vattendroppar som är polaritoniska. Jag har arbetat inom det här forskningsfältet i tio år, men det var faktiskt bara för något år sedan som jag började tänka tanken att polaritoner finns överallt. Det är nästan som ett paradigmskifte, och vi har alla möjligheter att förstå det ännu bättre i det här projektet.
Timur Shegais forskargrupp är specialiserade på så kallade plasmoniska nanostrukturer och antenner. I det dammfria renrumslabbet tillverkar de med stor noggrannhet de nanostrukturer som ihop med speciella atomtunna tvådimensionella material skapar en stark koppling mellan ljus och materia.
– Att ha ett bra prov är avgörande, utan det går det inte att göra ett bra experiment, säger han.
Den kategori polaritoner som studeras i projektet kallas plasmon-exciton-polaritoner, PEPar. Fördelen med dem är bland annat att de är ultrasnabba inte bara vid låga temperaturer utan även vid rumstemperatur.
Vill styra egenskaper
För att kunna förstå och styra ett materials egenskaper krävs insikt om atomernas exakta position och struktur i materialet, förklarar Eva Olsson. Hennes forskargrupp använder avancerad elektronmikroskopi för att analysera enskilda atomer. Tekniken utnyttjar elektroner för att avbilda mycket små objekt.
Tack vare tidigare stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har instrumentparken i Chalmers materialanalyslabb fått ett rejält lyft de senaste åren, vilket har öppnat upp nya möjligheter.
– Vi kan göra experimenten inne i mikroskopen, och det gör det så spännande. Med den här höga upplösningen kan vi både påverka strukturer och se vad som händer, på samma gång. Och genom förståelsen för vad som sker får vi också förmågan att kunna kontrollera och styra egenskaper.
Elektronmikroskopin på Chalmers ger forskarna information om hur polaritonerna fungerar på extremt liten längdskala, mindre än en atoms radie. I Umeå finns professor László Veisz och hans forskargrupp som å sin sida är experter på attosekundsspektroskopi. I deras labb studeras hur polaritonerna uppför sig på en ofattbart kort tidsskala, en attosekund är en miljarddel av en miljarddels sekund.
– Med så bra upplösning i både tid och rum kan vi nu se hur interaktionen mellan ljus och materia sker på riktigt. Det är intressant och också grundläggande, för polaritoner är ett nytt sätt att förstå materia, säger Timur Shegai entusiastiskt.
Den större bilden
Om polaritoner nu finns överallt, resonerar Timur Shegai, så är frågan om naturen redan har använt dem till något som vi inte känner till.
– Till exempel kan det vara så att fotosyntesen i växter kan ske endast på grund av stark koppling mellan ljus och materia.
Att det sker en växelverkan mellan ljus och materia har varit känt länge, tillägger Eva Olsson. Man har dock inte känt till variationen på den lilla skalan. Detaljerna som börjar framträda tack vare kombinationen av avancerad mikroskopi och spektroskopi, teoriarbete och samverkan i projektet.
– Det i sig är en uppenbarelse för mig. Vi synliggör det som sker på den lilla skalan genom vår forskning. På så vis stimulerar vi till nya koncept och idéer som andra bygger vidare på. Som Timur är inne på, genom att förstå det som sker i våra artificiella nanostrukturer får vi plötsligt en bättre förståelse för större sammanhang. Som moln och kanske vad som påverkar vårt klimat, eller fotosyntesen till och med.
Text Susanne Rosén
Bild Anna-Lena Lundqvist, Andrew Yankovich, Dennis G. Baranov
