Forskere rapporterer dannelsen av materiebølgepolaritoner i et optisk gitter, en eksperimentell oppdagelse som muliggjør studier av et sentralt kvantevitenskap og teknologiparadigme gjennom direkte kvantesimulering ved bruk av ultrakalde atomer.
Oppdagelsen av materiebølgepolaritoner kaster nytt lys på fotoniske kvanteteknologier
Forskning publisert i tidsskriftet Nature Physics gir en ny plattform for "den andre kvanterevolusjonen."
Utviklingen av eksperimentelle plattformer som fremmer feltet kvantevitenskap og teknologi (QIST) kommer med et unikt sett med fordeler og utfordringer som er felles for enhver fremvoksende teknologi. Forskere ved Stony Brook University, ledet av Dominik Schneble, PhD, rapporterer dannelsen av materiebølgepolaritoner i et optisk gitter, en eksperimentell oppdagelse som tillater studier av et sentralt QIST-paradigme gjennom direkte kvantesimulering ved bruk av ultrakalde atomer. Forskerne anslår at deres nye kvasipartikler, som etterligner sterkt interagerende fotoner i materialer og enheter, men omgår noen av de iboende utfordringene, vil være til fordel for den videre utviklingen av QIST-plattformer som er klar til å revolusjonere data- og kommunikasjonsteknologi.
Forskningsfunnene er beskrevet i en artikkel publisert i tidsskriftet Naturfysikk.
Studien belyser grunnleggende polaritonegenskaper og relaterte mangekroppsfenomener, og den åpner for nye muligheter for studier av polaritonsk kvantestoff.
En viktig utfordring i arbeidet med fotonbaserte QIST-plattformer er at selv om fotoner kan være ideelle bærere av kvanteinformasjon, samhandler de normalt ikke med hverandre. Fraværet av slike interaksjoner hemmer også den kontrollerte utvekslingen av kvanteinformasjon mellom dem. Forskere har funnet en vei rundt dette ved å koble fotonene til tyngre eksitasjoner i materialer, og dermed danne polaritoner, kimærlignende hybrider mellom lys og materie. Kollisjoner mellom disse tyngre kvasipartikler gjør det så mulig for fotonene å samhandle effektivt. Dette kan muliggjøre implementering av fotonbaserte kvanteportoperasjoner og til slutt av en hel QIST-infrastruktur.
En stor utfordring er imidlertid den begrensede levetiden til disse fotonbaserte polaritonene på grunn av deres strålingskobling til miljøet, noe som fører til ukontrollert spontant forfall og dekoherens.
En kunstnerisk gjengivelse av forskningsfunnene i polaritonstudien viser atomene i et optisk gitter som danner en isolerende fase (til venstre); atomer som blir til materiebølgepolaritoner via vakuumkobling mediert av mikrobølgestråling representert av den grønne fargen (sentrum); polaritoner som blir mobile og danner en superfluid fase for sterk vakuumkobling (til høyre). Kreditt: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Ifølge Schneble og kolleger omgår deres publiserte polaritonforskning slike begrensninger forårsaket av spontant forfall fullstendig. Fotonaspektene til polaritonene deres bæres helt og holdent av atomiske stoffbølger, som slike uønskede forfallsprosesser ikke eksisterer for. Denne funksjonen åpner tilgang til parameterregimer som ikke er, eller ennå ikke, tilgjengelige i fotonbaserte polaritoniske systemer.
"Utviklingen av kvantemekanikk har dominert det siste århundret, og en "andre kvanterevolusjon" mot utviklingen av QIST og dets applikasjoner er nå godt i gang over hele kloden, inkludert i selskaper som IBM, Google og Amazon, sier Schneble, professor ved Institutt for fysikk og astronomi ved College of Arts and Sciences. "Vårt arbeid fremhever noen grunnleggende kvantemekaniske effekter som er av interesse for fremvoksende fotoniske kvantesystemer i QIST, alt fra halvledernanofotonikk til kretskvanteelektrodynamikk."
Stony Brook-forskerne utførte sine eksperimenter med en plattform med ultrakalde atomer i et optisk gitter, et eggekasselignende potensielt landskap dannet av stående lysbølger. Ved å bruke et dedikert vakuumapparat med forskjellige lasere og kontrollfelt og som opererer ved nanokelvin-temperatur, implementerte de et scenario der atomene fanget i gitteret "kler" seg med skyer av vakuumeksitasjoner laget av skjøre, flyktige materiebølger.
Teamet fant ut at som et resultat av dette ble de polaritoniske partiklene mye mer mobile. Forskerne var i stand til å undersøke deres indre struktur direkte ved å riste gitteret forsiktig, og dermed få tilgang til bidragene fra materiebølgene og atomgitterets eksitasjon. Når de blir stående alene, hopper materiebølgepolaritonene gjennom gitteret, samhandler med hverandre og danner stabile faser av kvasipartikkelstoff.
"Med eksperimentet vårt utførte vi en kvantesimulering av et eksiton-polaritonsystem i et nytt regime," forklarer Schneble. «Søken etter å utføre slike analogue’ simulations, which in addition areanalog` i den forstand at de relevante parameterne fritt kan ringes inn, utgjør i seg selv en viktig retning innenfor QIST.
Referanse: "Formasjon av materiebølgepolaritoner i et optisk gitter" av Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza og Dominik Schneble, 31. mars 2022, Naturfysikk.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brook-forskningen inkluderte doktorgradsstudenter Joonhyuk Kwon (for tiden postdoc ved Sandia National Laboratory), Youngshin Kim og Alfonso Lanuza.
Arbeidet ble finansiert av National Science Foundation (tilskudd # NSF PHY-1912546) med tilleggsmidler fra SUNY Center for Quantum Information Science på Long Island.
