Teadlased teatavad mateeria-laine polaritonide moodustumisest optilises võres, mis on eksperimentaalne avastus, mis võimaldab uurida keskse kvantteaduse ja -tehnoloogia paradigmat läbi otsese kvantsimulatsiooni, kasutades ülikülma aatomeid.
Aine-laine polaritonide avastamine heidab fotoonilisele kvanttehnoloogiale uut valgust
Ajakirjas Nature Physics avaldatud uuringud pakuvad uudset platvormi "teiseks kvantrevolutsiooniks".
Kvantteaduse ja -tehnoloogia (QIST) valdkonda edendavate eksperimentaalsete platvormide väljatöötamisega kaasnevad ainulaadsed eelised ja väljakutsed, mis on ühised mis tahes esilekerkiva tehnoloogia jaoks. Stony Brooki ülikooli teadlased eesotsas PhD Dominik Schneble'iga teatavad mateeria-laine polaritonide moodustumisest optilises võres, mis on eksperimentaalne avastus, mis võimaldab uurida keskse QIST-i paradigmat läbi otsese kvantsimulatsiooni, kasutades ülikülma aatomeid. Teadlased prognoosivad, et nende uudsed kvaasiosakesed, mis jäljendavad tugevalt interakteeruvaid footoneid materjalides ja seadmetes, kuid väldivad mõningaid loomupäraseid väljakutseid, toovad kasu QIST-platvormide edasisele arendamisele, mis on valmis muutma revolutsiooni andmetöötlus- ja sidetehnoloogias.
Uurimistulemused on üksikasjalikult kirjeldatud ajakirjas avaldatud artiklis Loodusfüüsika.
Uuring heidab valgust polaritoni põhiomadustele ja sellega seotud paljude kehade nähtustele ning avab uudsed võimalused polaritoonilise kvantaine uurimiseks.
Footonipõhiste QIST-platvormidega töötamise oluline väljakutse on see, et kuigi footonid võivad olla ideaalsed kvantteabe kandjad, ei suhtle nad tavaliselt üksteisega. Selliste interaktsioonide puudumine pärsib ka kvantinformatsiooni kontrollitud vahetust nende vahel. Teadlased on leidnud võimaluse sellest mööda minna, ühendades footonid materjalide raskemate ergastustega, moodustades seega polaritonid, kimäärilaadsed hübriidid valguse ja aine vahel. Nende raskemate kvaasiosakeste vahelised kokkupõrked võimaldavad footonitel tõhusalt suhelda. See võib võimaldada footonipõhiste kvantvärava operatsioonide ja lõpuks kogu QIST infrastruktuuri rakendamist.
Suureks väljakutseks on aga nende footonipõhiste polaritonide piiratud eluiga, mis on tingitud nende kiirguslisest sidumisest keskkonnaga, mis põhjustab kontrollimatut spontaanset lagunemist ja dekoherentsi.
Polaritoni uuringu uurimistulemuste kunstiline esitus näitab aatomeid optilises võres, mis moodustavad isoleeriva faasi (vasakul); aatomite muutumine aine-laine polaritoniteks vaakumsideme kaudu, mida vahendab roheline värv (keskel); polaritonid muutuvad liikuvaks ja moodustavad ülivedeliku faasi tugevaks vaakumühenduseks (paremal). Autorid: Alfonso Lanuza / Schneble Lab / Stony Brooki ülikool.
Schneble'i ja kolleegide sõnul väldivad nende avaldatud polaritooniuuringud sellised piirangud, mis on põhjustatud spontaansest lagunemisest. Nende polaritonide footoni aspekte kannavad täielikult aatomiaine lained, mille jaoks selliseid soovimatuid lagunemisprotsesse ei eksisteeri. See funktsioon avab juurdepääsu parameetrirežiimidele, mis ei ole või ei ole veel kättesaadavad footonipõhistes polaritoonsetes süsteemides.
"Eelmisel sajandil on domineerinud kvantmehaanika areng ning "teine kvantrevolutsioon" QIST-i ja selle rakenduste arendamise suunas on praegu käimas kõikjal maailmas, sealhulgas sellistes korporatsioonides nagu IBM, Google ja Amazon, " ütleb Schneble. Kunstide ja Teaduste Kõrgkooli füüsika ja astronoomia osakonna professor. "Meie töö toob esile mõned fundamentaalsed kvantmehaanilised efektid, mis pakuvad huvi QIST-i tekkivate fotooniliste kvantsüsteemide jaoks, alates pooljuhtide nanofotoonikast kuni ahela kvantelektrodünaamikani."
Stony Brooki teadlased tegid oma katsed platvormiga, millel olid ülikülmad aatomid optilises võres, munakastitaolises potentsiaalis maastikus, mille moodustavad seisvad valguslained. Kasutades spetsiaalset vaakumseadet, mis sisaldab erinevaid lasereid ja kontrollvälju ning töötab nanokelvini temperatuuril, rakendasid nad stsenaariumi, mille kohaselt võre lõksus olevad aatomid riietuvad habrastest eralduvatest ainelainetest koosnevate vaakumergastuste pilvedega.
Meeskond leidis, et selle tulemusena muutuvad polaritoonilised osakesed palju liikuvamaks. Teadlased suutsid võre õrnalt raputades otse uurida nende sisemist struktuuri, pääsedes seega ligi ainelainete panusele ja aatomvõre ergastusele. Üksi jäetuna hüppavad aine-laine polaritonid läbi võre, suhtlevad üksteisega ja moodustavad kvaasiosakeste aine stabiilseid faase.
"Meie katsega viisime läbi eksiton-polaritoni süsteemi kvantsimulatsiooni uudses režiimis, " selgitab Schneble. "Püüd sellist teostada analogue’ simulations, which in addition areanaloog" selles mõttes, et asjakohaseid parameetreid saab vabalt sisestada, on see iseenesest oluline suund QIST-is.
Viide: Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza ja Dominik Schneble "Aine-laine polaritonide moodustumine optilises võres", 31. märts 2022, Loodusfüüsika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brooki uuringus osalesid kraadiõppurid Joonhyuk Kwon (praegu Sandia riikliku labori järeldoktor), Youngshin Kim ja Alfonso Lanuza.
Tööd rahastas riiklik teadusfond (toetus # NSF PHY-1912546), lisades vahendeid SUNY Long Islandi kvantinfoteaduse keskusest.
