"Слово "микроскопический" берет свое начало в масштабе длины микрона, который в миллион раз меньше метра. Наша работа посвящена взаимодействию света с материей в пикоскопическом режиме, который намного меньше, где дискретное расположение атомных решеток удивительным образом изменяет свойства света", - говорит Джейкоб.

Эти интригующие результаты демонстрируют, что природные среды содержат множество богатых явлений взаимодействия света и материи на атомистическом уровне. Использование пикофотонных волн в полупроводниковых материалах может привести исследователей к разработке новых функциональных оптических устройств, позволяющих применять их в квантовых технологиях.

Взаимодействие света и материи в материалах занимает центральное место в нескольких фотонных устройствах - от лазеров до детекторов. За последнее десятилетие нанофотоника, изучение того, как свет течет в нанометровом масштабе в инженерных структурах, таких как фотонные кристаллы и метаматериалы, привела к важным достижениям. Это существующее исследование может быть отражено в рамках классической теории атомной материи. Нынешнее открытие, ведущее к пикофотонике, стало возможным благодаря крупному скачку вперед с использованием квантовой теории атомистического отклика в веществе. Команда состоит из Джейкоба, а также доктора Сатвика Бхарадваджа, научного сотрудника Университета Пердью, и доктора Тодда Ван Мехелена, бывшего постдока Университета Пердью.

Давней загадкой в этой области было недостающее звено между атомными решетками, их симметриями и ролью, которую они играют в глубоко пикоскопических световых полях. Чтобы ответить на эту загадку, команда теоретиков разработала гамильтонову структуру материи Максвелла в сочетании с квантовой теорией реакции материалов, индуцированной светом.

"Это кардинальный сдвиг от классической трактовки светового потока, применяемой в нанофотонике", - говорит Джейкоб. "Квантовая природа поведения света в материалах является ключом к возникновению явлений пикофотоники".

Бхарадвадж и его коллеги показали, что скрытые среди традиционных хорошо известных электромагнитных волн, в атомной решетке возникают новые аномальные волны. Эти световые волны сильно колебательны даже внутри одного фундаментального строительного блока кремниевого кристалла (субнанометровый масштаб длины).

"Природные материалы сами по себе обладают богатой внутренней симметрией кристаллической решетки, и эти симметрии сильно влияют на свет", - говорит Бхарадвадж. "Ближайшая следующая цель - применить нашу теорию к множеству квантовых и топологических материалов, а также экспериментально подтвердить существование этих новых волн".

"Наша группа находится на переднем крае исследований пикомасштабных электродинамических полей внутри материи на атомистическом уровне", - говорит Джейкоб. "Недавно мы инициировали сеть теории пикоэлектродинамики, где мы объединяем различных исследователей для изучения макроскопических явлений, возникающих из микроскопических пикоэлектродинамических полей внутри материи".

Это исследование финансировалось программой DARPA QUEST.

Автор: Шерил Пирс, специалист по коммуникациям, Науки о Земле, атмосфере, планетах | Физика/астрономия, Университет Пердью