Ғалымдар оптикалық торда материя-толқын поляритондарының пайда болуы туралы хабарлайды, бұл өте суық атомдарды пайдалана отырып, тікелей кванттық модельдеу арқылы орталық кванттық ғылым мен технология парадигмасын зерттеуге мүмкіндік беретін тәжірибелік жаңалық.
Материя-толқын поляритондарының ашылуы фотондық кванттық технологияларға жаңа жарық түсіреді
Nature Physics журналында жарияланған зерттеулер «екінші кванттық революция» үшін жаңа платформа ұсынады.
Кванттық ғылым мен технология (QIST) саласын ілгерілететін эксперименталды платформалардың дамуы кез келген жаңа технологияға ортақ артықшылықтар мен қиындықтардың бірегей жиынтығымен бірге келеді. PhD докторы Доминик Шнебл басқаратын Стони Брук университетінің зерттеушілері оптикалық торда материя-толқын поляритондарының пайда болуы туралы хабарлайды, бұл ультра суық атомдарды пайдалана отырып, тікелей кванттық модельдеу арқылы орталық QIST парадигмасын зерттеуге мүмкіндік беретін эксперименттік жаңалық. Ғалымдар материалдар мен құрылғылардағы күшті өзара әрекеттесетін фотондарды имитациялайтын, бірақ кейбір тән қиындықтарды айналып өтетін олардың жаңа квазибөлшектері есептеу және коммуникациялық технологияда төңкеріс жасауға дайын QIST платформаларының одан әрі дамуына пайда әкеледі деп болжайды.
Зерттеу нәтижелері журналда жарияланған мақалада егжей-тегжейлі берілген Табиғат физикасы.
Зерттеу іргелі поляритондық қасиеттерге және олармен байланысты көп дене құбылыстарына жарық түсіреді және поляритондық кванттық материяны зерттеу үшін жаңа мүмкіндіктер ашады.
Фотонға негізделген QIST платформаларымен жұмыс істеудегі маңызды мәселе фотондар кванттық ақпараттың тамаша тасымалдаушысы бола алатынымен, олар әдетте бір-бірімен өзара әрекеттеспейді. Мұндай өзара әрекеттесулердің болмауы олардың арасындағы кванттық ақпараттың басқарылатын алмасуын тежейді. Ғалымдар фотондарды материалдардағы ауыр қозуларға біріктіру арқылы мұны айналып өтудің жолын тапты, осылайша жарық пен зат арасында поляритондар, химералар тәрізді гибридтер пайда болды. Осы ауыр квазибөлшектердің арасындағы соқтығыстар фотондардың тиімді әрекеттесуіне мүмкіндік береді. Бұл фотонға негізделген кванттық қақпа операцияларын және сайып келгенде, QIST инфрақұрылымының тұтастығын жүзеге асыруға мүмкіндік береді.
Дегенмен, басты мәселе - бұл фотон негізіндегі поляритондардың қоршаған ортаға радиациялық қосылуына байланысты шектеулі қызмет ету мерзімі, бұл бақыланбайтын өздігінен ыдырау мен декогеренцияға әкеледі.
Поляритондық зерттеудегі зерттеу нәтижелерінің көркемдік берілуі оқшаулағыш фазаны құрайтын оптикалық тордағы атомдарды көрсетеді (сол жақта); жасыл түспен берілген микротолқынды сәулелену арқылы вакуумдық байланыс арқылы зат-толқын поляритондарына айналатын атомдар (орталық); поляритондар жылжымалы болып, күшті вакуумдық байланыс үшін суперсұйықтық фазасын құрайды (оң жақта). Несие: Альфонсо Лануза/Шнебле зертханасы/Стони Брук университеті.
Шнебле мен оның әріптестерінің айтуынша, олардың жарияланған поляритондық зерттеулері өздігінен ыдыраудан туындаған мұндай шектеулерді толығымен айналып өтеді. Олардың поляритондарының фотондық аспектілері толығымен атомдық материялық толқындар арқылы тасымалданады, олар үшін мұндай қажетсіз ыдырау процестері болмайды. Бұл мүмкіндік фотонға негізделген поляритондық жүйелерде қол жетімді емес немесе әлі қол жетімді емес параметр режимдеріне кіруді ашады.
«Кванттық механиканың дамуы өткен ғасырда басым болды және QIST және оның қосымшаларын дамытуға бағытталған «екінші кванттық революция» қазір бүкіл әлемде, соның ішінде IBM, Google және Amazon сияқты корпорацияларда қарқынды жүріп жатыр», - дейді Шнебл, өнер және ғылым колледжінің физика және астрономия кафедрасының профессоры. «Біздің жұмысымыз QIST-тегі жартылай өткізгіш нанофотоникадан тізбекті кванттық электродинамикаға дейін пайда болған фотонды кванттық жүйелер үшін қызығушылық тудыратын кейбір іргелі кванттық механикалық әсерлерді көрсетеді».
Стони Брук зерттеушілері оптикалық тордағы ультра суық атомдары бар платформамен тәжірибелерін, тұрақты жарық толқындарынан пайда болған жұмыртқа жәшік тәрізді потенциалды ландшафтпен жүргізді. Әртүрлі лазерлер мен басқару өрістері бар және нанокельвин температурасында жұмыс істейтін арнайы вакуумдық аппаратты пайдалана отырып, олар торда ұсталған атомдар нәзік, өшетін материя толқындарынан жасалған вакуумдық қозу бұлттарымен «киінетін» сценарийді жүзеге асырды.
Команда нәтижесінде поляритондық бөлшектер әлдеқайда мобильді болатынын анықтады. Зерттеушілер торды ақырын шайқау арқылы олардың ішкі құрылымын тікелей зерттей алды, осылайша материялық толқындардың және атомдық тордың қозуының үлестеріне қол жеткізді. Жалғыз қалған кезде материя-толқын поляритондары тор арқылы секіреді, бір-бірімен әрекеттеседі және квазибөлшектердің тұрақты фазаларын құрайды.
«Біз тәжірибемізбен жаңа режимдегі экситон-поляритондық жүйенің кванттық модельдеуін орындадық», - деп түсіндіреді Шнебле. «Мұндай орындауға ұмтылыс analogue’ simulations, which in addition areаналогты` сәйкес параметрлерді еркін теруге болатын мағынада QIST ішіндегі маңызды бағытты құрайды.
Анықтама: Джунхюк Квон, Янгшин Ким, Альфонсо Лануза және Доминик Шнебленің «Оптикалық тордағы материя-толқын поляритондарының қалыптасуы», 31 наурыз 2022 ж. Табиғат физикасы.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Стони Брук зерттеуіне магистранттар Джунхюк Квон (қазір Сандия ұлттық зертханасында постдоктор), Янгшин Ким және Альфонсо Лануза кірді.
Жұмысты Ұлттық ғылыми қор (грант № NSF PHY-1912546) Лонг-Айлендтегі SUNY кванттық ақпараттану орталығының қосымша қаражатымен қаржыландырды.
