นักวิทยาศาสตร์รายงานการก่อตัวของโพลาริทันคลื่นสสารในโครงตาข่ายแสง การค้นพบเชิงทดลองที่ช่วยให้สามารถศึกษาวิทยาศาสตร์ควอนตัมกลางและกระบวนทัศน์เทคโนโลยีผ่านการจำลองควอนตัมโดยตรงโดยใช้อะตอมที่เย็นจัด
การค้นพบโพลาริตันแบบ Matter-Wave ทำให้เกิดแสงสว่างใหม่แก่เทคโนโลยีโฟโตนิกควอนตัม
งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Physics เป็นเวทีใหม่สำหรับ 'การปฏิวัติควอนตัมครั้งที่สอง'
การพัฒนาแพลตฟอร์มทดลองที่พัฒนาด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควอนตัม (QIST) มาพร้อมกับข้อดีและความท้าทายที่ไม่เหมือนใครในเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ นักวิจัยจาก Stony Brook University นำโดย Dominik Schneble, PhD, รายงานการก่อตัวของขั้วคลื่นสสารในโครงตาข่ายแสง ซึ่งเป็นการค้นพบจากการทดลองที่อนุญาตให้ศึกษากระบวนทัศน์ QIST กลางผ่านการจำลองควอนตัมโดยตรงโดยใช้อะตอมที่เย็นจัด นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่า quasiparticles ใหม่ของพวกเขา ซึ่งเลียนแบบโฟตอนที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงในวัสดุและอุปกรณ์ แต่หลีกเลี่ยงความท้าทายโดยธรรมชาติบางประการ จะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาต่อไปของแพลตฟอร์ม QIST ซึ่งพร้อมจะปฏิวัติเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และการสื่อสาร
ผลการวิจัยมีรายละเอียดในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร ฟิสิกส์ธรรมชาติ.
การศึกษาให้ความกระจ่างเกี่ยวกับคุณสมบัติของโพลาริตันพื้นฐานและปรากฏการณ์หลาย ๆ ตัวที่เกี่ยวข้อง และเปิดโอกาสใหม่ ๆ สำหรับการศึกษาเรื่องควอนตัมโพลาไรโทนิก
ความท้าทายที่สำคัญในการทำงานกับแพลตฟอร์ม QIST ที่ใช้โฟตอนคือในขณะที่โฟตอนสามารถเป็นผู้ให้บริการข้อมูลควอนตัมในอุดมคติได้ แต่โดยปกติแล้วจะไม่โต้ตอบกัน การไม่มีปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวยังขัดขวางการแลกเปลี่ยนข้อมูลควอนตัมที่มีการควบคุมระหว่างกัน นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหานี้โดยการรวมโฟตอนเข้ากับแรงกระตุ้นที่หนักกว่าในวัสดุ ทำให้เกิดขั้วขึ้น ซึ่งเป็นลูกผสมที่คล้ายความฝันระหว่างแสงและสสาร การชนกันระหว่างควอซิอนุภาคที่หนักกว่าเหล่านี้ทำให้โฟตอนสามารถโต้ตอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้สามารถเปิดใช้งานการดำเนินการประตูควอนตัมที่ใช้โฟตอนและในที่สุดโครงสร้างพื้นฐาน QIST ทั้งหมด
อย่างไรก็ตาม ความท้าทายที่สำคัญคืออายุขัยที่จำกัดของโพลาริทันที่มีโฟตอนเหล่านี้เนื่องจากการมีเพศสัมพันธ์แบบแผ่รังสีกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งนำไปสู่การสลายตัวตามธรรมชาติและการคลายตัวที่ไม่สามารถควบคุมได้
การแสดงผลงานศิลปะของผลการวิจัยในการศึกษาโพลาริตันแสดงให้เห็นอะตอมในโครงตาข่ายแสงที่ก่อตัวเป็นเฟสฉนวน (ซ้าย) อะตอมเปลี่ยนเป็นโพลาริทันของคลื่นสสารผ่านคัปปลิ้งสุญญากาศที่มีรังสีไมโครเวฟเป็นสื่อกลางซึ่งแสดงด้วยสีเขียว (ตรงกลาง) โพลาริตันเคลื่อนที่และก่อตัวเป็นเฟสซุปเปอร์ฟลูอิดสำหรับคัปปลิ้งสุญญากาศอย่างแรง (ขวา) เครดิต: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University
ตามที่ Schneble และเพื่อนร่วมงานกล่าวว่างานวิจัยโพลาริตันที่ตีพิมพ์ของพวกเขาหลีกเลี่ยงข้อ จำกัด ดังกล่าวที่เกิดจากการสลายตัวที่เกิดขึ้นเองอย่างสมบูรณ์ โฟตอนของโพลาริตอนของพวกมันถูกพาโดยคลื่นสสารอะตอมทั้งหมด ซึ่งไม่มีกระบวนการสลายตัวที่ไม่ต้องการดังกล่าว คุณลักษณะนี้เปิดการเข้าถึงระบบพารามิเตอร์ที่ยังไม่สามารถเข้าถึงได้ในระบบโพลาริโทนิกที่ใช้โฟตอน
“การพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมได้ครอบงำในศตวรรษที่แล้ว และ 'การปฏิวัติควอนตัมครั้งที่สอง' ที่มีต่อการพัฒนา QIST และการใช้งานของ QIST ก็กำลังดำเนินการไปทั่วโลก ซึ่งรวมถึงบริษัทต่างๆ เช่น IBM, Google และ Amazon” Schneble กล่าว ศาสตราจารย์ภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ วิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ "งานของเราเน้นย้ำถึงผลกระทบทางกลควอนตัมขั้นพื้นฐานที่น่าสนใจสำหรับระบบควอนตัมโฟโตนิกที่เกิดขึ้นใน QIST ตั้งแต่สารกึ่งตัวนำนาโนโฟโตนิกส์ไปจนถึงวงจรไฟฟ้าควอนตัม"
นักวิจัยของ Stony Brook ได้ทำการทดลองกับแพลตฟอร์มที่มีอะตอมที่เย็นจัดในโครงตาข่ายแบบออปติคัล ซึ่งเป็นภูมิประเทศที่มีศักยภาพคล้ายลังไข่ซึ่งเกิดขึ้นจากคลื่นแสงนิ่ง โดยใช้อุปกรณ์สูญญากาศเฉพาะซึ่งมีเลเซอร์และสนามควบคุมต่างๆ และทำงานที่อุณหภูมินาโนเคลวิน พวกเขาใช้สถานการณ์สมมติที่อะตอมที่ติดอยู่ในตาข่าย "แต่ง" ตัวด้วยก้อนเมฆของการกระตุ้นด้วยสุญญากาศที่ทำจากคลื่นของวัตถุที่เปราะบางและระเหยได้
ทีมงานพบว่าด้วยเหตุนี้อนุภาคโพลาไรโทนิกจึงเคลื่อนที่ได้มากขึ้น นักวิจัยสามารถตรวจสอบโครงสร้างภายในของพวกเขาได้โดยตรงด้วยการเขย่าโครงตาข่ายเบา ๆ จึงเข้าถึงการมีส่วนร่วมของคลื่นสสารและการกระตุ้นด้วยโครงตาข่ายอะตอม เมื่อปล่อยทิ้งไว้ตามลำพัง โพลาริทันของคลื่นสสารจะกระโดดผ่านตาข่าย โต้ตอบซึ่งกันและกัน และสร้างเฟสที่เสถียรของสสารควอซิอนุภาค
"ด้วยการทดลองของเรา เราได้ทำการจำลองควอนตัมของระบบ exciton-polariton ในระบอบการปกครองใหม่" Schneble อธิบาย “ภารกิจที่จะดำเนินการดังกล่าว analogue’ simulations, which in addition areแอนะล็อกในแง่ที่ว่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องสามารถโทรเข้าได้อย่างอิสระโดยตัวมันเองถือเป็นทิศทางที่สำคัญภายใน QIST”
ข้อมูลอ้างอิง: “การก่อตัวของขั้วคลื่นสสารในโครงตาข่ายแสง” โดย Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza และ Dominik Schneble, 31 มีนาคม 2022, ฟิสิกส์ธรรมชาติ.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
การวิจัยของ Stony Brook รวมถึงนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Joonhyuk Kwon (ปัจจุบันเป็น postdoc ที่ Sandia National Laboratory), Youngshin Kim และ Alfonso Lanuza
งานนี้ได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (ทุน # NSF PHY-1912546) พร้อมเงินทุนเพิ่มเติมจากศูนย์ SUNY สำหรับวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมบนเกาะลอง
