მეცნიერები აცხადებენ მატერიის ტალღის პოლარიტონების ფორმირებაზე ოპტიკურ გისოსებში, ექსპერიმენტული აღმოჩენა, რომელიც საშუალებას იძლევა შეისწავლოს ცენტრალური კვანტური მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების პარადიგმა პირდაპირი კვანტური სიმულაციის მეშვეობით ულტრაცივი ატომების გამოყენებით.
მატერია-ტალღის პოლარიტონების აღმოჩენა ახალ შუქს მოჰფენს ფოტონურ კვანტურ ტექნოლოგიებს
ჟურნალში Nature Physics-ში გამოქვეყნებული კვლევა ახალ პლატფორმას იძლევა "მეორე კვანტური რევოლუციისთვის".
ექსპერიმენტული პლატფორმების შემუშავება, რომელიც აწინაურებს კვანტური მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სფეროს (QIST) გააჩნია უპირატესობებისა და გამოწვევების უნიკალურ კომპლექტს, რომლებიც საერთოა ნებისმიერი განვითარებადი ტექნოლოგიისთვის. სტონი ბრუკის უნივერსიტეტის მკვლევარები დომინიკ შნებლეს ხელმძღვანელობით აცხადებენ მატერია-ტალღის პოლარიტონების ფორმირებაზე ოპტიკურ ბადეში, ექსპერიმენტული აღმოჩენა, რომელიც საშუალებას იძლევა შესწავლა ცენტრალური QIST პარადიგმა პირდაპირი კვანტური სიმულაციის მეშვეობით ულტრაცივი ატომების გამოყენებით. მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ მათი ახალი კვაზინაწილაკები, რომლებიც მიბაძავს ძლიერ ურთიერთქმედებს ფოტონებს მასალებსა და მოწყობილობებში, მაგრამ აცილებს ზოგიერთ თანდაყოლილ გამოწვევას, სარგებელს მოუტანს QIST პლატფორმების შემდგომ განვითარებას, რომლებიც მზად არიან მოახდინოს რევოლუცია გამოთვლითი და საკომუნიკაციო ტექნოლოგიებით.
კვლევის შედეგები დეტალურად არის აღწერილი ჟურნალში გამოქვეყნებულ ნაშრომში ბუნების ფიზიკა.
კვლევა ნათელს ჰფენს პოლარიტონის ფუნდამენტურ თვისებებს და მასთან დაკავშირებულ მრავალსხეულიან ფენომენებს და ხსნის ახალ შესაძლებლობებს პოლარიტონის კვანტური მატერიის შესწავლისთვის.
ფოტონზე დაფუძნებულ QIST პლატფორმებთან მუშაობის მნიშვნელოვანი გამოწვევა არის ის, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ფოტონები შეიძლება იყვნენ კვანტური ინფორმაციის იდეალური მატარებლები, ისინი ჩვეულებრივ არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ასეთი ურთიერთქმედების არარსებობა ასევე აფერხებს მათ შორის კვანტური ინფორმაციის კონტროლირებად გაცვლას. მეცნიერებმა იპოვეს გზა ამის გადასაჭრელად ფოტონების შეერთებით მასალებში უფრო მძიმე აგზნებასთან, რითაც წარმოიქმნება პოლარიტონები, ქიმერის მსგავსი ჰიბრიდები სინათლესა და მატერიას შორის. ამ უფრო მძიმე კვაზინაწილაკებს შორის შეჯახება შესაძლებელს ხდის ფოტონების ეფექტურად ურთიერთქმედებას. ამან შეიძლება ჩართოს ფოტონზე დაფუძნებული კვანტური კარიბჭის ოპერაციების განხორციელება და, საბოლოოდ, მთელი QIST ინფრასტრუქტურა.
თუმცა, მთავარი გამოწვევაა ამ ფოტონზე დაფუძნებული პოლარიტონის შეზღუდული სიცოცხლის ხანგრძლივობა გარემოსთან მათი რადიაციული შეერთების გამო, რაც იწვევს უკონტროლო სპონტანურ დაშლას და დეკოჰერენტობას.
კვლევის შედეგების მხატვრული გადმოცემა პოლარიტონის კვლევაში გვიჩვენებს ატომებს ოპტიკურ ბადეში, რომელიც ქმნის საიზოლაციო ფაზას (მარცხნივ); ატომები გადაიქცევა მატერია-ტალღურ პოლარიტონებად ვაკუუმური შეერთების გზით მიკროტალღური გამოსხივების შუამავლობით, რომელიც წარმოდგენილია მწვანე ფერით (ცენტრი); პოლარიტონები მოძრავი ხდება და ქმნიან ზესთხევად ფაზას ძლიერი ვაკუუმური შეერთებისთვის (მარჯვნივ). კრედიტი: ალფონსო ლანუზა/შნებლე ლაბორატორია/სტონი ბრუკის უნივერსიტეტი.
შნებლისა და კოლეგების აზრით, მათი გამოქვეყნებული პოლარიტონის კვლევა მთლიანად აცილებს სპონტანური დაშლის შედეგად გამოწვეულ შეზღუდვებს. მათი პოლარიტონების ფოტონის ასპექტები მთლიანად გადატანილია ატომური მატერიის ტალღებით, რისთვისაც ასეთი არასასურველი დაშლის პროცესები არ არსებობს. ეს ფუნქცია ხსნის წვდომას პარამეტრულ რეჟიმებზე, რომლებიც არ არის ან ჯერ არ არის ხელმისაწვდომი ფოტონზე დაფუძნებულ პოლარიტონულ სისტემებში.
„კვანტური მექანიკის განვითარება დომინირებდა გასულ საუკუნეში და „მეორე კვანტური რევოლუცია“ QIST-ისა და მისი აპლიკაციების განვითარების მიმართულებით ახლა კარგად მიმდინარეობს მთელ მსოფლიოში, მათ შორის ისეთ კორპორაციებში, როგორიცაა IBM, Google და Amazon,“ ამბობს შნებლე. ხელოვნებისა და მეცნიერებათა კოლეჯის ფიზიკისა და ასტრონომიის განყოფილების პროფესორი. „ჩვენი ნამუშევარი ხაზს უსვამს რამდენიმე ფუნდამენტურ კვანტურ მექანიკურ ეფექტს, რომლებიც საინტერესოა QIST-ში წარმოქმნილი ფოტონიკური კვანტური სისტემებისთვის, დაწყებული ნახევარგამტარული ნანოფოტონიკით დაწყებული წრიული კვანტური ელექტროდინამიკით დამთავრებული.
Stony Brook-ის მკვლევარებმა ჩაატარეს ექსპერიმენტები პლატფორმაზე, რომელშიც გამოსახულია ულტრაცივი ატომები ოპტიკურ გისოსებში, კვერცხის კრატის მსგავსი პოტენციური ლანდშაფტი, რომელიც წარმოიქმნება სინათლის მდგარი ტალღებით. სპეციალური ვაკუუმური აპარატის გამოყენებით, რომელიც შეიცავს სხვადასხვა ლაზერებს და საკონტროლო ველებს და მუშაობს ნანოკელვინის ტემპერატურაზე, მათ განახორციელეს სცენარი, რომლის დროსაც გისოსებში ჩარჩენილი ატომები თავს „ჩაიცმევდნენ“ მყიფე, გამქრალი მატერიის ტალღებისგან დამზადებული ვაკუუმური აგზნების ღრუბლებით.
ჯგუფმა აღმოაჩინა, რომ შედეგად, პოლარიტონიული ნაწილაკები ბევრად უფრო მოძრავი ხდება. მკვლევარებმა შეძლეს უშუალოდ მათი შიდა სტრუქტურის გამოკვლევა გისოსის ნაზად შერყევის გზით, რითაც მიიღეს წვდომა მატერიის ტალღებისა და ატომური გისოსების აგზნების წვლილებზე. როდესაც მარტო რჩებიან, მატერია-ტალღის პოლარიტონები ცურავს გისოსებს, ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან და ქმნიან კვაზინაწილაკების მატერიის სტაბილურ ფაზებს.
„ჩვენი ექსპერიმენტით ჩვენ შევასრულეთ ექსციტონ-პოლარიტონული სისტემის კვანტური სიმულაცია ახალ რეჟიმში“, განმარტავს შნებლე. „სწრაფვა შეასრულოს ასეთი analogue’ simulations, which in addition areანალოგი` იმ გაგებით, რომ შესაბამისი პარამეტრების თავისუფლად აკრეფა შესაძლებელია, თავისთავად წარმოადგენს მნიშვნელოვან მიმართულებას QIST-ში“.
მითითება: „მატერია-ტალღის პოლარიტონების ფორმირება ოპტიკურ გისოსში“ ჯუნჰიუკ კვონის, იანგშინ კიმის, ალფონსო ლანუზასა და დომინიკ შნებლეს მიერ, 31 წლის 2022 მარტი, ბუნების ფიზიკა.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
სტოუნ ბრუკის კვლევა მოიცავდა კურსდამთავრებულ სტუდენტებს ჯუნჰიუკ კვონს (ამჟამად სანდიას ნაციონალური ლაბორატორიის პოსტდოქტორი), იანგშინ კიმს და ალფონსო ლანუზას.
სამუშაო დაფინანსდა ეროვნული სამეცნიერო ფონდის მიერ (გრანტი # NSF PHY-1912546) დამატებითი სახსრებით ლონგ აილენდზე მდებარე კვანტური ინფორმაციის მეცნიერების SUNY ცენტრიდან.
