Polaritoner består af halvt lys og halvt stof

Samspillet mellem lys og stof er helt centralt inden for fysik og fotonik.

Når Niels Bohrs atommodel fra 1913 øjeblikkeligt blev en succes, var det, bl.a. fordi den korrekt kunne forklare lysudsendelsen fra brintatomer med, at elektroner hoppede fra en elektronbane til en anden. Det kan også nævnes, at observation af stof med lys er det centrale i Einsteins artikel om den specielle relativitetsteori fra 1905 med titlen ‘Om elektrodynamikken for legemer i bevægelse’.

En dyb forståelse af vekselvirkningen mellem lys og stof har givet os en lang række teknologiske produkter som lysdioder og lasere og er grundlag for studier inden for såvel klassisk optik som kvanteoptik.

Men der er meget mere at studere og kaste sig over inden for dette område.

Ved en meget stærk kobling mel­lem elektromagnetiske bølger og visse materialer kan der nemlig opstå et partikellignende fænomen, som er halvt lys og halvt stof. Den amerikanske fysiker J.J. Hoppfield kaldte allerede i 1958 dette fænomen for en polariton, men det er først inden for de senere år, at polaritoner for alvor har fundet forskernes interesse, i takt med at man eksperimentelt kan fremstille, kontrollere og undersøge materialer på atomart niveau.

Kollektive fænomener

Polaritoner er forbundet med kollektive fænomener, der kan opstå i forskellige typer af materialer.

I metaller kan kollektive svingninger af frie ladningselektroner have en partikellignende natur. De er kvasipartikler og kaldes for plasmoner. I stedet for at holde styr på individuelle elektroner i enorme antal kan man nøjes med at interessere sig for for færre plasmoner.

I halvlederkrystaller kan der opstå steder i krystallen med en elektron i overskud og andre steder, hvor der er en elektron i underskud. Det sidste kaldes for et hul, og det er både karakteriseret ved at have en ladning, der er positiv, og en effektiv masse. Tilmed kan en negativ ladet elektron og et positivt ladet hul binde sig til hinanden, som det sker for en proton og en elektron i et brint­atom. og danne en såkaldt exciton – en anden form for kvasipartikel, som eksempelvis kan overføre energi uden at overføre ladning.

I visse situationer kan plasmoner eller excitoner yderligere binde sig til elektromagnetiske bølger, der belyser et materiale. Det giver en polariton, som i udstrækning både findes i materialet og lidt udenfor. Polaritoner findes i lidt forskellige udgaver, alt efter hvad stofhalvdelen består af. Det afgørende er, at polaritoner har en række unikke egenskaber, som ikke kendes fra klassisk lys, men som kan studeres og potentielt anvendes.

Polaritoner er emnet for et af de nye grundforskningscentre, som skal ledes af professor N. Asger Mortensen fra Syddansk Universitet – en af landets førende forskere inden for vekselvirkning mellem lys og stof.

De konkrete forskningsprojekter sigter bl.a. på at undersøge elektrodynamikken i materialer, udvikling af tunebare lyskilder og metoder til ikkelineær kontrol af lys osv.

Det kan gøre det muligt at udvikle optiske komponenter, der både er mindre og bedre end traditionelle optiske komponenter som linser og stråledelere. Polaritoner kan også bruges i forbindelse med generering af lys i kvanteoptiske komponenter.

I ansøgningen til Center for Polariton-driven Light-Matter Interactions (POLIMA) afstår N. Asger Mortensen dog helt bevidst fra at love, at forskningen vil udmønte sig i helt konkrete nye kvanteprodukter. I stedet anfører han:

»Vi er overbeviste om, at vores nysgerrighedsdrevne forskning vil give næring til nye ­paradigmer i vores forståelse af samspillet mellem kvanteoptik og eksotiske polaritoniske miljøer og dermed afgørende bidrage til fremskridt inden for grundlæggende videnskab og den nye kvanterevolution.«

Han bemærker, at med polaritoner får man et nyt håndtag til at kontrollere vekselvirkningen mellem lys og stof med, som under normale forhold er meget svag.

Bevillingen til centeret på 59 mio. kr. over de næste seks år skal primært gå til at ansætte en laboratorieleder, en administrativ leder, otte ph.d.-studerende og seks postdocs. Ud over N. Asger Mortensen vil professor i nanooptik Sergey I. Bozhevolnyi ved SDU og fem yngre adjunkter på universitet også blive tilknyttet centeret.