Οι επιστήμονες αναφέρουν τον σχηματισμό πολαριτονίων ύλης-κύματος σε ένα οπτικό πλέγμα, μια πειραματική ανακάλυψη που επιτρέπει μελέτες ενός κεντρικού παραδείγματος κβαντικής επιστήμης και τεχνολογίας μέσω άμεσης κβαντικής προσομοίωσης χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα.
Η ανακάλυψη των πολαριτών ύλης-κύματος ρίχνει νέο φως στις φωτονικές κβαντικές τεχνολογίες
Έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Physics παρέχει μια νέα πλατφόρμα για τη «δεύτερη κβαντική επανάσταση».
Η ανάπτυξη πειραματικών πλατφορμών που προάγουν τον τομέα της κβαντικής επιστήμης και τεχνολογίας (QIST) συνοδεύεται από ένα μοναδικό σύνολο πλεονεκτημάτων και προκλήσεων που είναι κοινά σε κάθε αναδυόμενη τεχνολογία. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Stony Brook, με επικεφαλής τον Dominik Schneble, PhD, αναφέρουν τον σχηματισμό πολαριτονίων κυμάτων ύλης σε ένα οπτικό πλέγμα, μια πειραματική ανακάλυψη που επιτρέπει μελέτες ενός κεντρικού παραδείγματος QIST μέσω άμεσης κβαντικής προσομοίωσης χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα. Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι τα νέα τους οιονεί σωματίδια, τα οποία μιμούνται έντονα αλληλεπιδρώντα φωτόνια σε υλικά και συσκευές, αλλά παρακάμπτουν ορισμένες από τις εγγενείς προκλήσεις, θα ωφελήσουν την περαιτέρω ανάπτυξη των πλατφορμών QIST που είναι έτοιμες να φέρουν επανάσταση στην τεχνολογία υπολογιστών και επικοινωνιών.
Τα ευρήματα της έρευνας αναφέρονται αναλυτικά σε άρθρο που δημοσιεύεται στο περιοδικό Φυσική της Φύσης.
Η μελέτη ρίχνει φως στις θεμελιώδεις ιδιότητες του πολαριτονίου και σε σχετικά φαινόμενα πολλών σωμάτων, και ανοίγει νέες δυνατότητες για μελέτες πολαριτονικής κβαντικής ύλης.
Μια σημαντική πρόκληση στην εργασία με πλατφόρμες QIST που βασίζονται σε φωτόνια είναι ότι ενώ τα φωτόνια μπορούν να είναι ιδανικοί φορείς κβαντικών πληροφοριών, κανονικά δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η απουσία τέτοιων αλληλεπιδράσεων εμποδίζει επίσης την ελεγχόμενη ανταλλαγή κβαντικών πληροφοριών μεταξύ τους. Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να το αντιμετωπίσουν συνδέοντας τα φωτόνια με βαρύτερες διεγέρσεις σε υλικά, σχηματίζοντας έτσι πολάριτονες, υβρίδια που μοιάζουν με χίμαιρα μεταξύ φωτός και ύλης. Οι συγκρούσεις μεταξύ αυτών των βαρύτερων οιονεί σωματιδίων καθιστούν τότε δυνατή την αποτελεσματική αλληλεπίδραση των φωτονίων. Αυτό μπορεί να επιτρέψει την υλοποίηση λειτουργιών κβαντικής πύλης που βασίζονται σε φωτόνια και τελικά μιας ολόκληρης υποδομής QIST.
Ωστόσο, μια σημαντική πρόκληση είναι η περιορισμένη διάρκεια ζωής αυτών των πολαριτονίων που βασίζονται σε φωτόνια λόγω της ακτινοβολίας τους σύζευξης με το περιβάλλον, η οποία οδηγεί σε ανεξέλεγκτη αυθόρμητη διάσπαση και αποσυνοχή.
Μια καλλιτεχνική απόδοση των ευρημάτων της έρευνας στη μελέτη polariton δείχνει τα άτομα σε ένα οπτικό πλέγμα που σχηματίζει μια μονωτική φάση (αριστερά). άτομα που μετατρέπονται σε πολίτες ύλης-κύματος μέσω σύζευξης κενού που προκαλείται από ακτινοβολία μικροκυμάτων που αντιπροσωπεύεται από το πράσινο χρώμα (κέντρο). Οι πολαρίτονες γίνονται κινητοί και σχηματίζουν μια υπερρευστή φάση για ισχυρή σύζευξη κενού (δεξιά). Πιστώσεις: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Σύμφωνα με τον Schneble και τους συνεργάτες τους, η δημοσιευμένη έρευνα polariton παρακάμπτει εντελώς τέτοιους περιορισμούς που προκαλούνται από την αυθόρμητη αποσύνθεση. Οι όψεις φωτονίων των πολαριτών τους μεταφέρονται εξ ολοκλήρου από κύματα ατομικής ύλης, για τα οποία δεν υπάρχουν τέτοιες ανεπιθύμητες διαδικασίες διάσπασης. Αυτή η δυνατότητα ανοίγει την πρόσβαση σε καθεστώτα παραμέτρων που δεν είναι, ή δεν είναι ακόμη, προσβάσιμα σε πολαριτονικά συστήματα που βασίζονται σε φωτόνια.
«Η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής κυριάρχησε τον περασμένο αιώνα και μια «δεύτερη κβαντική επανάσταση» προς την ανάπτυξη του QIST και των εφαρμογών του βρίσκεται τώρα σε εξέλιξη σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένων εταιρειών όπως η IBM, η Google και η Amazon», λέει ο Schneble. Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Κολλέγιο Τεχνών και Επιστημών. «Η εργασία μας υπογραμμίζει ορισμένα θεμελιώδη κβαντομηχανικά φαινόμενα που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για αναδυόμενα φωτονικά κβαντικά συστήματα στο QIST, που κυμαίνονται από τα νανοφωτονικά ημιαγωγών έως την κβαντική ηλεκτροδυναμική κυκλωμάτων».
Οι ερευνητές του Stony Brook πραγματοποίησαν τα πειράματά τους με μια πλατφόρμα με υπερψυχρά άτομα σε ένα οπτικό πλέγμα, ένα δυναμικό τοπίο σαν κιβώτιο αυγού που σχηματίζεται από στάσιμα κύματα φωτός. Χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή κενού που διαθέτει διάφορα λέιζερ και πεδία ελέγχου και λειτουργούσε σε θερμοκρασία νανοκέλβιν, εφάρμοσαν ένα σενάριο στο οποίο τα άτομα που παγιδεύτηκαν στο πλέγμα «ντύνονται» με σύννεφα διεγέρσεων κενού από εύθραυστα, παροδικά κύματα ύλης.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι, ως αποτέλεσμα, τα πολαριτονικά σωματίδια γίνονται πολύ πιο κινητά. Οι ερευνητές μπόρεσαν να διερευνήσουν άμεσα την εσωτερική τους δομή ανακινώντας απαλά το πλέγμα, αποκτώντας έτσι πρόσβαση στη συμβολή των κυμάτων της ύλης και στη διέγερση του ατομικού πλέγματος. Όταν μένουν μόνα τους, τα πολάρια των κυμάτων ύλης περνούν μέσα από το πλέγμα, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και σχηματίζουν σταθερές φάσεις οιονείσωματιδιακής ύλης.
«Με το πείραμά μας πραγματοποιήσαμε μια κβαντική προσομοίωση ενός συστήματος εξιτονίων-πολαριτόνων σε ένα νέο καθεστώς», εξηγεί ο Schneble. «Η αναζήτηση να εκτελέσω τέτοια analogue’ simulations, which in addition areαναλογικό», με την έννοια ότι οι σχετικές παράμετροι μπορούν να καλούνται ελεύθερα, αποτελεί από μόνη της μια σημαντική κατεύθυνση στο QIST.»
Αναφορά: «Σχηματισμός πολαριτονίων ύλης-κύματος σε ένα οπτικό πλέγμα» από τους Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza και Dominik Schneble, 31 Μαρτίου 2022, Φυσική της Φύσης.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Η έρευνα του Stony Brook περιελάμβανε μεταπτυχιακούς φοιτητές Joonhyuk Kwon (επί του παρόντος μεταδιδάκτορας στο Sandia National Laboratory), Youngshin Kim και Alfonso Lanuza.
Η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (χορήγηση # NSF PHY-1912546) με πρόσθετους πόρους από το Κέντρο Κβαντικής Πληροφορικής του SUNY στο Λονγκ Άιλαντ.
