Zinātnieki ziņo par matērijas viļņu polaritonu veidošanos optiskajā režģī, kas ir eksperimentāls atklājums, kas ļauj pētīt centrālo kvantu zinātnes un tehnoloģiju paradigmu, izmantojot tiešu kvantu simulāciju, izmantojot īpaši aukstus atomus.
Matērijas-viļņu polaritonu atklāšana rada jaunu gaismu fotonisko kvantu tehnoloģijām
Pētījumi, kas publicēti žurnālā Nature Physics, nodrošina jaunu platformu "otrajai kvantu revolūcijai".
Eksperimentālo platformu izstrāde, kas virza uz priekšu kvantu zinātnes un tehnoloģijas (QIST) jomā, nodrošina unikālu priekšrocību un izaicinājumu kopumu, kas ir kopīgs jebkurai jaunai tehnoloģijai. Stony Brook universitātes pētnieki, kuru vadīja doktors Dominiks Šnebls, ziņo par matērijas viļņu polaritonu veidošanos optiskajā režģī, kas ir eksperimentāls atklājums, kas ļauj pētīt centrālo QIST paradigmu, izmantojot tiešu kvantu simulāciju, izmantojot īpaši aukstus atomus. Zinātnieki prognozē, ka viņu jaunās kvazidaļiņas, kas atdarina spēcīgi mijiedarbojošus fotonus materiālos un ierīcēs, bet apiet dažus raksturīgos izaicinājumus, dos labumu QIST platformu tālākai attīstībai, kas ir gatavas revolucionizēt skaitļošanas un sakaru tehnoloģijas.
Pētījuma rezultāti ir detalizēti aprakstīti žurnālā publicētajā rakstā Dabas fizika.
Pētījums atklāj fundamentālās polaritona īpašības un ar to saistītās daudzu ķermeņu parādības, un tas paver jaunas iespējas polaritoniskās kvantu vielas pētījumiem.
Svarīgs izaicinājums darbā ar QIST platformām, kuru pamatā ir fotoni, ir tas, ka, lai gan fotoni var būt ideāli kvantu informācijas nesēji, tie parasti nesadarbojas viens ar otru. Šādas mijiedarbības trūkums arī kavē kontrolētu kvantu informācijas apmaiņu starp tām. Zinātnieki ir atraduši veidu, kā to apiet, savienojot fotonus ar smagākiem ierosinājumiem materiālos, tādējādi veidojot polaritonus, himērai līdzīgus gaismas un matērijas hibrīdus. Sadursmes starp šīm smagākajām kvazidaļiņām dod iespēju fotoniem efektīvi mijiedarboties. Tas var ļaut īstenot uz fotoniem balstītas kvantu vārtu darbības un galu galā arī visu QIST infrastruktūru.
Tomēr galvenais izaicinājums ir šo fotonu bāzes polaritonu ierobežotais kalpošanas laiks, pateicoties to radiācijas savienojumam ar vidi, kas izraisa nekontrolētu spontānu sabrukšanu un dekoherenci.
Polaritona pētījuma pētījumu rezultātu mākslinieciskā atveide parāda atomi optiskā režģī, kas veido izolācijas fāzi (pa kreisi); atomi pārvēršas matērijas-viļņu polaritonos, izmantojot vakuuma savienojumu, ko nodrošina mikroviļņu starojums, ko attēlo zaļā krāsa (centrs); polaritoni kļūst mobili un veido superšķidruma fāzi spēcīgai vakuuma savienošanai (pa labi). Kredīts: Alfonso Lanuza / Schneble Lab / Stony Brook University.
Pēc Šnebla un kolēģu domām, viņu publicētie polaritona pētījumi pilnībā apiet šādus ierobežojumus, ko izraisa spontāna sabrukšana. To polaritonu fotonu aspektus pilnībā pārnēsā atomu vielas viļņi, kuriem šādi nevēlami sabrukšanas procesi nepastāv. Šī funkcija paver piekļuvi parametru režīmiem, kas nav vai vēl nav pieejami fotonu polaritoniskajās sistēmās.
"Pagājušajā gadsimtā dominēja kvantu mehānikas attīstība, un "otrā kvantu revolūcija" QIST un tās lietojumu attīstībā šobrīd jau norisinās visā pasaulē, tostarp tādās korporācijās kā IBM, Google un Amazon," saka Šnebls. Mākslas un zinātņu koledžas Fizikas un astronomijas katedras profesors. "Mūsu darbs izceļ dažus fundamentālus kvantu mehāniskos efektus, kas interesē jaunās QIST fotoniskās kvantu sistēmas, sākot no pusvadītāju nanofotonikas līdz ķēdes kvantu elektrodinamikai."
Stony Brook pētnieki veica savus eksperimentus ar platformu ar īpaši aukstiem atomiem optiskajā režģī, olu kastei līdzīgā potenciālā ainavā, ko veido stāvoši gaismas viļņi. Izmantojot īpašu vakuuma aparātu, kas aprīkots ar dažādiem lāzeriem un vadības laukiem un kas darbojas nanokelvina temperatūrā, viņi īstenoja scenāriju, kurā režģī iesprostotie atomi “ietērpjas” ar vakuuma ierosmes mākoņiem, kas veidoti no trausliem, izgaistošiem matērijas viļņiem.
Komanda atklāja, ka rezultātā polaritoniskās daļiņas kļūst daudz mobilākas. Pētnieki varēja tieši pārbaudīt to iekšējo struktūru, maigi kratot režģi, tādējādi piekļūstot matērijas viļņu ieguldījumam un atomu režģa ierosmei. Paliekot vieni, matērijas viļņu polaritoni lec cauri režģim, mijiedarbojas viens ar otru un veido stabilas kvazdaļiņu vielas fāzes.
"Ar mūsu eksperimentu mēs veicām eksitona-polaritona sistēmas kvantu simulāciju jaunā režīmā," skaidro Šnebls. “Meklējumi tādu izpildīt analogue’ simulations, which in addition areanalogs” tādā nozīmē, ka attiecīgos parametrus var brīvi ievadīt, pats par sevi ir svarīgs QIST virziens.
Atsauce: “Matērijas-viļņu polaritonu veidošanās optiskajā režģī”, autors Džonhjuks Kvons, Jangšins Kims, Alfonso Lanuza un Dominiks Šnebls, 31. gada 2022. marts, Dabas fizika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brook pētījumā piedalījās absolventi Džonhjuks Kvons (pašlaik Sandijas Nacionālās laboratorijas pēcdoktors), Jangšins Kims un Alfonso Lanuza.
Darbu finansēja Nacionālais zinātnes fonds (dotācija # NSF PHY-1912546) ar papildu līdzekļiem no SUNY Kvantu informācijas zinātnes centra Longailendā.
