מדענים מדווחים על היווצרות של פולריטונים של גלי חומר בסריג אופטי, תגלית ניסויית המאפשרת מחקרים של פרדיגמה קוונטית מרכזית של מדע וטכנולוגיה באמצעות הדמיית קוונטים ישירה באמצעות אטומים אולטרה-קרים.
גילוי של פולריטונים של גלי החומר שופך אור חדש על טכנולוגיות קוונטיות פוטוניות
מחקר שפורסם בכתב העת Nature Physics מספק פלטפורמה חדשה ל'מהפכה הקוונטית השנייה'.
פיתוח פלטפורמות ניסוי המקדמות את תחום המדע והטכנולוגיה הקוונטית (QIST) מגיע עם סט ייחודי של יתרונות ואתגרים משותפים לכל טכנולוגיה מתהווה. חוקרים מאוניברסיטת סטוני ברוק, בראשותו של דומיניק שנבל, דוקטורט, מדווחים על היווצרות של קוטבי גלי חומר בסריג אופטי, תגלית ניסויית המאפשרת מחקרים של פרדיגמת QIST מרכזית באמצעות הדמיית קוונטים ישירה באמצעות אטומים אולטרה-קרים. המדענים משערים שהקוואזי-חלקיקים החדשים שלהם, המחקים פוטונים בעלי אינטראקציה חזקה בחומרים ובהתקנים, אך עוקפים חלק מהאתגרים המובנים, יועילו להמשך הפיתוח של פלטפורמות QIST שעומדות לחולל מהפכה בטכנולוגיית המחשוב והתקשורת.
ממצאי המחקר מפורטים במאמר שפורסם בכתב העת פיזיקת טבע.
המחקר שופך אור על תכונות קוטביות בסיסיות ותופעות הקשורות בגוף רבים, והוא פותח אפשרויות חדשות למחקרים של חומר קוונטי פולאריטוני.
אתגר חשוב בעבודה עם פלטפורמות QIST מבוססות פוטון הוא שבעוד שפוטונים יכולים להיות נשאים אידיאליים של מידע קוונטי, הם בדרך כלל אינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה. היעדר אינטראקציות כאלה גם מעכב חילופי מבוקר של מידע קוונטי ביניהם. מדענים מצאו דרך לעקוף זאת על ידי צימוד הפוטונים לעירורים כבדים יותר בחומרים, וכך נוצרו פולריטונים, הכלאות דמויות כימרה בין אור לחומר. התנגשויות בין החלקיקים הכבדים יותר הללו מאפשרות לפוטונים אינטראקציה יעילה. זה יכול לאפשר יישום של פעולות שערים קוונטיים מבוססות פוטון ובסופו של דבר של תשתית QIST שלמה.
עם זאת, אתגר מרכזי הוא משך החיים המוגבל של הקוטבים מבוססי הפוטונים הללו עקב הצימוד הקרינה שלהם לסביבה, מה שמוביל לדעיכה ספונטנית בלתי מבוקרת ולחוסר קוהרנטיות.
עיבוד אמנותי של ממצאי המחקר במחקר הפולאריטון מראה את האטומים בסריג אופטי היוצרים שלב בידוד (משמאל); אטומים שהופכים לפולריטונים של גלי חומר באמצעות צימוד ואקום המתווך על ידי קרינת מיקרוגל המיוצגת על ידי הצבע הירוק (מרכז); פולריטונים הופכים ניידים ויוצרים שלב סופר נוזלי עבור צימוד ואקום חזק (מימין). קרדיט: אלפונסו לנוזה/מעבדת שנבל/אוניברסיטת סטוני ברוק.
לדברי שנבל ועמיתיו, מחקר הפולאריטון שפורסם עוקף מגבלות כאלה הנגרמות על ידי ריקבון ספונטני לחלוטין. היבטי הפוטונים של הקוטבים שלהם נישאים לחלוטין על ידי גלי חומר אטומי, שעבורם לא קיימים תהליכי ריקבון לא רצויים כאלה. תכונה זו פותחת גישה למשטרי פרמטרים שאינם נגישים, או עדיין לא, נגישים במערכות פולאריטוניות מבוססות פוטון.
"הפיתוח של מכניקת הקוונטים שלטה במאה הקודמת, ו'מהפכה קוונטית שנייה' לקראת הפיתוח של QIST והיישומים שלה מתקדמת כעת ברחבי העולם, כולל בתאגידים כמו יבמ, גוגל ואמזון", אומר שנבל, פרופסור במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה במכללה לאמנויות ומדעים. "העבודה שלנו מדגישה כמה אפקטים מכאניים קוונטיים בסיסיים המעניינים עבור מערכות קוונטיות פוטוניות המתעוררות ב-QIST, החל מננו-פוטוניקת מוליכים למחצה ועד אלקטרודינמיקה קוונטית במעגל."
חוקרי סטוני ברוק ערכו את הניסויים שלהם עם פלטפורמה הכוללת אטומים קרים במיוחד בסריג אופטי, נוף פוטנציאלי דמוי ארגז ביצים שנוצר על ידי גלי אור עומדים. באמצעות מנגנון ואקום ייעודי הכולל לייזרים ושדות בקרה שונים ופועל בטמפרטורת ננוקלווין, הם יישמו תרחיש שבו האטומים הכלואים בסריג "מתלבשים" בענני עירור ואקום העשויים מגלי חומר שביר וחולף.
הצוות גילה שכתוצאה מכך, החלקיקים הפולאריטוניים הופכים הרבה יותר ניידים. החוקרים הצליחו לחקור ישירות את המבנה הפנימי שלהם על ידי ניעור עדין של הסריג, וכך לגשת לתרומות של גלי החומר ולעירור הסריג האטומי. כשהם נשארים לבדם, הקוטבים של גלי החומר קופצים דרך הסריג, מקיימים אינטראקציה זה עם זה ויוצרים שלבים יציבים של חומר קוואזי-חלקיקי.
"עם הניסוי שלנו ביצענו סימולציה קוונטית של מערכת אקציטון-קוטב במשטר חדשני", מסביר שנבל. "השאיפה לבצע כאלה analogue’ simulations, which in addition areאנלוגי` במובן שניתן לחייג חופשי לפרמטרים הרלוונטיים, כשלעצמו מהווה כיוון חשוב בתוך QIST."
התייחסות: "היווצרות פולריטונים של גלי חומר בסריג אופטי" מאת Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza and Dominik Schneble, 31 במרץ 2022, פיזיקת טבע.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
המחקר של סטוני ברוק כלל את הסטודנטים לתארים מתקדמים ג'ונהיוק קוון (כיום פוסט דוקטורט במעבדה הלאומית של סנדיה), יאנגשין קים ואלפונסו לנוזה.
העבודה מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע (מענק # NSF PHY-1912546) עם כספים נוספים ממרכז SUNY למדעי המידע הקוונטי בלונג איילנד.
