图片来源：渥太华大学
由渥太华大学（University of Ottawa）领导的一个国际科学家团队回到了厨房的橱柜中，创造了一种将有机材料和光结合在一起以产生量子态的配方。
理学院超快太赫兹光谱组组长Jean-Michel Ménard教授与马克斯·普朗克光科学研究所（德国）的Claudiu Genes博士和Iridian Spectral Technologies（渥太华）合作，设计了一种设备，可以利用光的量子叠加有效地改变材料的性质。
该团队设计了一种二维平面谐振器（称为超表面），可以捕获光。然后，使用喷涂技术，他们将薄薄的葡萄糖层沉积在该超表面上，以诱导糖中光和葡萄糖分子之间的强烈相互作用。
他们的概念使研究人员更接近于在技术上能够收获量子系统的一些独特特性，这些量子系统处于光和物质的混合状态。
理学院教授Ksenia Dorgeleva和Robert Boyd与主要作者Menard教授一起为这项工作做出了贡献，Menard教授讨论了发表在Nature Communications上的研究结果。
你打算做什么，你发现了什么？我们提出了一种创新而有效的技术，通过结合光和物质来合成量子有机材料。当远红外区域（太赫兹（THz）频率的光被束缚在有机材料中时，它可以与分子合并，从而产生一种量子态，该量子态表现出独特的特性，由于它们在改变物质的物理和化学性质方面的潜在应用，因此越来越受到关注。这些有趣的状态只有在特定条件下才会出现。
我们的团队确定了这些关键条件，并创建了一个光子陷阱或设备，以在相当长的时间内有效地将光限制在小体积空间内。该陷阱能够在光和分子系综之间建立强耦合机制。
与以前依赖由两个面镜组成的光学腔的方法不同，我们设计并测试了一种称为超表面的二维平面谐振器。这种超表面有效地允许在平面几何结构内进行光学约束，为探索强光-物质相互作用的量子状态开辟了新的实用途径。
最后，我们将超表面与传统的空腔几何形状相结合，形成混合空腔结构，并观察到光与物质之间耦合强度的增强。葡萄糖是一种有机化合物，具有对生物学和医学领域有用的特性，证明了这些结果。
强光物质耦合与葡萄糖包被的 MS. 图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48764-6
为什么要使用太赫兹光和糖？
太赫兹光特别有趣，因为它可以引起许多分子的振动，包括糖中的葡萄糖分子。分子的振动能量与它们的性质有着千丝万缕的联系，包括它们与其他分子发生化学反应的能力。
因此，通过设计平台，使太赫兹光和分子振动之间产生强烈的耦合，分子是有机物质的基本组成部分，我们有可能改变它们的性质，从而有可能控制生命基础的机制。
通过研究，您最终发现了什么？我们发现了耦合太赫兹光和物质的有效方法。最有前途的概念是基于结构化的金属表面，即超表面，并纳入光子腔的设计中。结果，光线被双重捕获并紧紧地限制在设备内。
我们强大的即插即用平台允许将许多有机材料插入该设备中，以创建具有新特性的量子系统。这是因为不需要精确对准设备来捕获光线，因为这一关键条件主要由超表面金属图案的几何形状满足。有趣的是，由于存在可扩展的制造技术来制造与太赫兹光相互作用的超表面，我们相信这些设备可以相对较快地用于量子增强化学反应的实际应用。
这项研究能产生什么样的影响？这些结果使我们更接近于在技术上能够收获由光和物质的混合状态组成的量子系统的一些独特特性。
通过对不同类型的光子谐振器进行系统的理论和实验研究，我们发现了一些新颖的光子谐振器设计，这些设计可以在称为太赫兹区域的远红外光谱窗口的特定区域在分子材料、葡萄糖和光之间产生量子叠加。
先前的研究表明，当这种杂化过程涉及太赫兹光时，会改变材料的原始物理和化学性质。例如，光子谐振器的存在可以改变涉及该材料的某些化学反应的速率。
在未来，我们相信这种方法可以帮助调节一些分子过程，从而在医学上应用于快速诊断和潜在的新治疗策略。
更多信息：Ahmed Jaber 等人，太赫兹分子极振的混合架构，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-48764-6
期刊信息： Nature Communications
