Wetenskaplikes rapporteer die vorming van materie-golf polaritone in 'n optiese rooster, 'n eksperimentele ontdekking wat studies van 'n sentrale kwantumwetenskap en tegnologie paradigma moontlik maak deur direkte kwantumsimulasie deur ultrakoue atome te gebruik.
Die ontdekking van materiegolfpolaritons werp nuwe lig op fotoniese kwantumtegnologieë
Navorsing gepubliseer in die joernaal Nature Physics bied 'n nuwe platform vir die 'tweede kwantumrevolusie'.
Die ontwikkeling van eksperimentele platforms wat die veld van kwantumwetenskap en -tegnologie (QIST) bevorder, kom met 'n unieke stel voordele en uitdagings gemeen aan enige opkomende tegnologie. Navorsers by Stony Brook Universiteit, gelei deur Dominik Schneble, PhD, rapporteer die vorming van materie-golf polaritone in 'n optiese rooster, 'n eksperimentele ontdekking wat studies van 'n sentrale QIST paradigma toelaat deur direkte kwantumsimulasie met behulp van ultrakoue atome. Die wetenskaplikes projekteer dat hul nuwe kwasideeltjies, wat sterk interaksie fotone in materiale en toestelle naboots, maar sommige van die inherente uitdagings omseil, die verdere ontwikkeling van QIST-platforms sal bevoordeel wat gereed is om rekenaar- en kommunikasietegnologie te revolusioneer.
Die navorsingsbevindinge word uiteengesit in 'n referaat wat in die joernaal gepubliseer is Natuurfisika.
Die studie werp lig op fundamentele polariton-eienskappe en verwante veelliggaam-verskynsels, en dit maak nuwe moontlikhede oop vir studies van polaritoniese kwantummaterie.
'n Belangrike uitdaging om met foton-gebaseerde QIST-platforms te werk, is dat hoewel fotone ideale draers van kwantuminligting kan wees, hulle nie normaalweg met mekaar in wisselwerking is nie. Die afwesigheid van sulke interaksies inhibeer ook die beheerde uitruil van kwantuminligting tussen hulle. Wetenskaplikes het 'n manier om dit gevind deur die fotone te koppel aan swaarder opwekkings in materiale, en sodoende polaritone, chimera-agtige basters tussen lig en materie te vorm. Botsings tussen hierdie swaarder kwasideeltjies maak dit dan moontlik vir die fotone om effektief in wisselwerking te tree. Dit kan die implementering van foton-gebaseerde kwantumhek-operasies en uiteindelik van 'n hele QIST-infrastruktuur moontlik maak.
'n Groot uitdaging is egter die beperkte leeftyd van hierdie foton-gebaseerde polaritone as gevolg van hul stralingskoppeling aan die omgewing, wat lei tot onbeheerde spontane verval en dekoherensie.
'n Artistieke weergawe van die navorsingsbevindinge in die polariton-studie toon die atome in 'n optiese rooster wat 'n isolerende fase vorm (links); atome wat verander in materie-golf polaritone via vakuum koppeling bemiddel deur mikrogolf straling verteenwoordig deur die groen kleur (middel); polaritone wat beweeglik word en 'n supervloeibare fase vorm vir sterk vakuumkoppeling (regs). Krediet: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook Universiteit.
Volgens Schneble en kollegas omseil hul gepubliseerde polaritonnavorsing sulke beperkings wat veroorsaak word deur spontane verval heeltemal. Die foton-aspekte van hul polaritone word geheel en al deur golwe van atoommateriaal gedra, waarvoor sulke ongewenste vervalprosesse nie bestaan nie. Hierdie kenmerk maak toegang tot parameterregimes oop wat nie, of nog nie, toeganklik is in foton-gebaseerde polaritoniese stelsels.
"Die ontwikkeling van kwantummeganika het die afgelope eeu oorheers, en 'n 'tweede kwantumrevolusie' in die rigting van die ontwikkeling van QIST en sy toepassings is nou goed aan die gang regoor die wêreld, insluitend by korporasies soos IBM, Google en Amazon," sê Schneble, 'n Professor in die Departement Fisika en Sterrekunde in die Kollege vir Kuns en Wetenskappe. "Ons werk beklemtoon 'n paar fundamentele kwantummeganiese effekte wat van belang is vir ontluikende fotoniese kwantumstelsels in QIST, wat wissel van halfgeleier-nanofotonika tot kring-kwantumelektrodinamika."
Die Stony Brook-navorsers het hul eksperimente uitgevoer met 'n platform met ultrakoue atome in 'n optiese rooster, 'n eierkratagtige potensiële landskap wat deur staande golwe van lig gevorm word. Deur 'n toegewyde vakuumapparaat met verskeie lasers en beheervelde te gebruik en wat by nanokelvin-temperatuur werk, het hulle 'n scenario geïmplementeer waarin die atome wat in die rooster vasgevang is, hulself “aantrek” met wolke van vakuumopwekkings gemaak van brose, verdwynende materiegolwe.
Die span het gevind dat die polaritoniese deeltjies as gevolg daarvan baie meer beweeglik word. Die navorsers was in staat om hul innerlike struktuur direk te ondersoek deur die rooster saggies te skud en sodoende toegang te verkry tot die bydraes van die materiegolwe en die atoomroosteropwekking. Wanneer dit alleen gelaat word, spring die materie-golf polaritone deur die rooster, tree in wisselwerking met mekaar en vorm stabiele fases van kwasideeltjie materie.
"Met ons eksperiment het ons 'n kwantumsimulasie van 'n exciton-polariton-stelsel in 'n nuwe regime uitgevoer," verduidelik Schneble. “Die strewe om so uit te voer analogue’ simulations, which in addition areanaloog` in die sin dat die relevante parameters vrylik ingeskakel kan word, vorm op sigself 'n belangrike rigting binne QIST.
Verwysing: "Formation of matter-wave polaritons in an optical lattice" deur Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza en Dominik Schneble, 31 Maart 2022, Natuurfisika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Die Stony Brook-navorsing het nagraadse studente Joonhyuk Kwon (tans 'n nadoktorale by Sandia National Laboratory), Youngshin Kim en Alfonso Lanuza ingesluit.
Die werk is befonds deur die Nasionale Wetenskapstigting (toekenning # NSF PHY-1912546) met bykomende fondse van die SUNY-sentrum vir kwantuminligtingswetenskap op Long Island.
