Wittenskippers melde de foarming fan materie-wave polaritons yn in optysk rooster, in eksperimintele ûntdekking dy't mooglik makket stúdzjes fan in sintrale kwantum wittenskip en technology paradigma troch direkte kwantum simulaasje mei help fan ultrakâlde atomen.
Untdekking fan Matter-Wave Polaritons smyt nij ljocht op Photonic Quantum Technologies
Undersyk publisearre yn it tydskrift Nature Physics jout in nij platfoarm foar de 'twadde kwantumrevolúsje'.
De ûntwikkeling fan eksperimintele platfoarms dy't it fjild fan kwantumwittenskip en technology (QIST) foarútgeane komt mei in unike set fan foardielen en útdagings dy't mienskiplik binne foar elke opkommende technology. Undersikers oan 'e Stony Brook University, ûnder lieding fan Dominik Schneble, PhD, rapportearje de formaasje fan materiegolfpolaritons yn in optysk rooster, in eksperimintele ûntdekking dy't stúdzjes fan in sintraal QIST-paradigma mooglik makket troch direkte kwantumsimulaasje mei ultrakâlde atomen. De wittenskippers projektearje dat har nije kwasipartikels, dy't sterk ynteraksje fotonen yn materialen en apparaten imitearje, mar guon fan 'e ynherinte útdagings omgeane, sille profitearje fan' e fierdere ûntwikkeling fan QIST-platfoarms dy't ree binne om komputer- en kommunikaasjetechnology te revolúsjonearjen.
De ûndersiiksbefiningen binne detaillearre yn in papier publisearre yn it tydskrift Natuerkunde.
De stúdzje smyt ljocht op fûnemintele polariton eigenskippen en besibbe protte-lichem ferskynsels, en it iepenet nije mooglikheden foar stúdzjes fan polaritonyske kwantum matearje.
In wichtige útdaging by it wurkjen mei foton-basearre QIST-platfoarms is dat, hoewol fotonen ideale dragers fan kwantumynformaasje kinne wêze, se normaal net mei elkoar ynteraksje. It ûntbrekken fan sokke ynteraksjes ynhibeart ek de kontroleare útwikseling fan kwantumynformaasje tusken har. Wittenskippers hawwe in manier om dit hinne fûn troch de fotonen te keppeljen oan swierdere excitaasjes yn materialen, sadat polaritons foarmje, chimera-like hybriden tusken ljocht en matearje. Botsingen tusken dizze swierdere kwasipartikels meitsje it dan mooglik foar de fotonen om effektyf ynteraksje te meitsjen. Dit kin de ymplemintaasje fan foton-basearre kwantumpoarte-operaasjes en úteinlik fan in folsleine QIST-ynfrastruktuer ynskeakelje.
In grutte útdaging is lykwols de beheinde libbensdoer fan dizze foton-basearre polaritons troch har strieljende koppeling mei it miljeu, wat liedt ta ûnkontrolearre spontane ferfal en dekoherinsje.
In artistike werjefte fan 'e ûndersiiksbefinings yn' e polaritonstúdzje lit de atomen yn in optysk rooster in isolearjende faze (lofts) sjen; atomen dy't feroarje yn materie-wave polaritons fia fakuüm coupling mediated troch mikrogolf strieling fertsjintwurdige troch de griene kleur (sintrum); polaritons wurde mobyl en foarmje in superfluid faze foar sterke fakuüm coupling (rjochts). Kredyt: Alfonso Lanuza / Schneble Lab / Stony Brook University.
Neffens Schneble en kollega's omseit har publisearre polaritonûndersyk sokke beheiningen dy't feroarsake binne troch spontaan ferfal folslein. De fotoneaspekten fan har polaritons wurde folslein droegen troch atomêre materiewellen, wêrfoar sokke net winske ferfalprosessen net bestean. Dizze funksje iepenet tagong ta parameterregimes dy't net, of noch net, tagonklik binne yn foton-basearre polaritonyske systemen.
"De ûntwikkeling fan kwantummeganika hat de lêste ieu dominearre, en in 'twadde kwantumrevolúsje' nei de ûntwikkeling fan QIST en har tapassingen is no oer de hiele wrâld goed ûnderweis, ynklusyf by korporaasjes lykas IBM, Google en Amazon," seit Schneble, in heechlearaar yn 'e ôfdieling Natuerkunde en Astronomy yn it College of Arts and Sciences. "Us wurk beljochtet guon fûnemintele kwantummeganyske effekten dy't fan belang binne foar opkommende fotonyske kwantumsystemen yn QIST, fariearjend fan semiconductor nanophotonics oant circuit kwantumelektrodynamika."
De ûndersikers fan Stony Brook hawwe har eksperiminten útfierd mei in platfoarm mei ultrakâlde atomen yn in optysk rooster, in aai-krat-lykas potinsjeel lânskip foarme troch steande weagen fan ljocht. Mei help fan in tawijd fakuümapparaat mei ferskate lasers en kontrôlefjilden en operearje by nanokelvin-temperatuer, ymplementearren se in senario wêryn't de atomen dy't yn 'e latte fongen binne, harsels "ferklearje" mei wolken fan fakuüm-eksitaasjes makke fan fragile, evanescente materiewellen.
It team fûn dat, as gefolch, de polaritonyske dieltsjes folle mobiler wurde. De ûndersikers wiene yn steat om har ynderlike struktuer direkt te ûndersiikjen troch it rooster sêft te skodzjen, sadat se tagong krije ta de bydragen fan 'e materiewellen en de atomyske rooster-eksitaasje. As se allinich litte, springe de materiewelle-polaritons troch it rooster, ynteraksje mei inoar en foarmje stabile fazen fan kwasipartikele matearje.
"Mei ús eksperimint hawwe wy in kwantumsimulaasje útfierd fan in exciton-polaritonsysteem yn in nij regime," ferklearret Schneble. "De syktocht om soks út te fieren analogue’ simulations, which in addition areanalog` yn 'e sin dat de relevante parameters frij kinne wurde ynskeakele, op himsels foarmet in wichtige rjochting binnen QIST.
Referinsje: "Formaasje fan materie-wave polaritons yn in optyske lattice" troch Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza en Dominik Schneble, 31 maart 2022, Natuerkunde.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
It ûndersyk fan Stony Brook omfette ôfstudearstudinten Joonhyuk Kwon (op it stuit in postdoc by Sandia National Laboratory), Youngshin Kim, en Alfonso Lanuza.
It wurk waard finansierd troch de National Science Foundation (subsydzje # NSF PHY-1912546) mei ekstra fûnsen fan it SUNY Center for Quantum Information Science op Long Island.
