Bilim adamları, optik bir kafeste madde-dalga polaritonlarının oluşumunu rapor ediyor; bu, ultra soğuk atomlar kullanılarak doğrudan kuantum simülasyonu yoluyla merkezi bir kuantum bilimi ve teknoloji paradigmasının araştırılmasına olanak tanıyan deneysel bir keşif.
Madde Dalgası Polaritonlarının Keşfi Fotonik Kuantum Teknolojilerine Yeni Işık Tutuyor
Nature Physics dergisinde yayınlanan araştırma 'ikinci kuantum devrimi' için yeni bir platform sağlıyor.
Kuantum bilimi ve teknolojisi (QIST) alanını ilerleten deneysel platformların geliştirilmesi, yeni ortaya çıkan herhangi bir teknolojide ortak olan benzersiz bir dizi avantaj ve zorluğu da beraberinde getiriyor. Dominik Schneble liderliğindeki Stony Brook Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, optik bir kafeste madde-dalga polaritonlarının oluşumunu rapor ediyor; bu, ultra soğuk atomlar kullanılarak doğrudan kuantum simülasyonu yoluyla merkezi bir QIST paradigmasının çalışmalarına izin veren deneysel bir keşif. Bilim adamları, malzeme ve cihazlardaki güçlü etkileşime giren fotonları taklit eden ancak bazı doğal zorlukların üstesinden gelen yeni yarı parçacıklarının, bilgi işlem ve iletişim teknolojisinde devrim yaratmaya hazır QIST platformlarının daha da geliştirilmesine fayda sağlayacağını öngörüyorlar.
Araştırma bulguları dergide yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Doğa Fiziği.
Çalışma, temel polariton özelliklerine ve ilgili çoklu cisim fenomenine ışık tutuyor ve polaritonik kuantum madde çalışmaları için yeni olasılıkların önünü açıyor.
Foton tabanlı QIST platformlarıyla çalışmanın önemli bir zorluğu, fotonların kuantum bilgisinin ideal taşıyıcıları olabilmelerine rağmen normalde birbirleriyle etkileşime girmemeleridir. Bu tür etkileşimlerin yokluğu aynı zamanda aralarında kuantum bilgisinin kontrollü değişimini de engeller. Bilim insanları, fotonları malzemelerdeki daha ağır uyarımlarla eşleştirerek, böylece ışık ve madde arasında kimera benzeri melezler olan polaritonlar oluşturarak bu sorunu çözmenin bir yolunu buldular. Bu daha ağır yarı parçacıklar arasındaki çarpışmalar, fotonların etkili bir şekilde etkileşime girmesini mümkün kılar. Bu, foton tabanlı kuantum geçit işlemlerinin ve sonuçta tüm QIST altyapısının uygulanmasını sağlayabilir.
Bununla birlikte, büyük bir zorluk, bu foton bazlı polaritonların, çevreye ışınımsal eşleşmeleri nedeniyle sınırlı ömürleridir, bu da kontrolsüz kendiliğinden bozunma ve eşevresizliğe yol açar.
Polariton çalışmasındaki araştırma bulgularının sanatsal bir sunumu, optik bir kafes içindeki atomların yalıtkan bir faz oluşturduğunu gösteriyor (solda); yeşil renkle (ortada) temsil edilen mikrodalga radyasyonunun aracılık ettiği vakum eşleşmesi yoluyla madde-dalga polaritonlarına dönüşen atomlar; polaritonlar hareketli hale geliyor ve güçlü vakum eşleşmesi için süperakışkan bir faz oluşturuyor (sağda). Katkıda bulunanlar: Alfonso Lanuza/Schneble Laboratuvarı/Stony Brook Üniversitesi.
Schneble ve meslektaşlarına göre, yayınladıkları polariton araştırmaları, kendiliğinden bozulmanın neden olduğu bu tür sınırlamaları tamamen ortadan kaldırıyor. Polaritonlarının foton yönleri tamamen atomik madde dalgaları tarafından taşınır ve bu tür istenmeyen bozunma süreçleri mevcut değildir. Bu özellik, foton tabanlı polaritonik sistemlerde erişilemeyen veya henüz erişilemeyen parametre rejimlerine erişimi açar.
Schneble, "Kuantum mekaniğinin gelişimi geçen yüzyıla hakim oldu ve QIST ve uygulamalarının geliştirilmesine yönelik 'ikinci bir kuantum devrimi' şu anda IBM, Google ve Amazon gibi şirketler de dahil olmak üzere dünya çapında oldukça iyi bir şekilde devam ediyor" diyor. Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik ve Astronomi Bölümünde Profesör. "Çalışmamız, yarı iletken nanofotoniklerden devre kuantum elektrodinamiğine kadar QIST'te ortaya çıkan fotonik kuantum sistemleri için ilgi çekici olan bazı temel kuantum mekaniksel etkileri vurgulamaktadır."
Stony Brook araştırmacıları deneylerini, durağan ışık dalgalarının oluşturduğu yumurta sandığı benzeri bir potansiyel manzara olan optik bir kafes içinde ultra soğuk atomların yer aldığı bir platformla gerçekleştirdiler. Çeşitli lazerler ve kontrol alanları içeren ve nanokelvin sıcaklıkta çalışan özel bir vakum aparatı kullanarak, kafeste hapsolmuş atomların kendilerini kırılgan, geçici madde dalgalarından oluşan vakum uyarım bulutları ile "giydirdiği" bir senaryoyu uyguladılar.
Ekip bunun sonucunda polaritonik parçacıkların çok daha hareketli hale geldiğini buldu. Araştırmacılar, kafesi hafifçe sallayarak iç yapılarını doğrudan inceleyebildiler, böylece madde dalgalarının ve atomik kafes uyarımının katkılarına erişebildiler. Kendi başına bırakıldığında, madde dalgası polaritonları kafes boyunca atlar, birbirleriyle etkileşime girer ve yarı parçacık maddenin kararlı fazlarını oluşturur.
Schneble, "Deneyimizle yeni bir rejimde eksiton-polariton sisteminin kuantum simülasyonunu gerçekleştirdik" diye açıklıyor. “Bunu gerçekleştirme arayışı analogue’ simulations, which in addition areAnalog', ilgili parametrelerin serbestçe girilebilmesi anlamında tek başına QIST içinde önemli bir yön oluşturur."
Referans: Joonhyuk Kwon, Youngshin Kim, Alfonso Lanuza ve Dominik Schneble tarafından yazılan "Optik bir kafeste madde-dalga polaritonlarının oluşumu", 31 Mart 2022, Doğa Fiziği.
DOI: 10.1038/s41567-022-01565-4
Stony Brook araştırması, yüksek lisans öğrencileri Joonhyuk Kwon (şu anda Sandia Ulusal Laboratuvarı'nda doktora sonrası araştırmacı), Youngshin Kim ve Alfonso Lanuza'yı içeriyordu.
Çalışma, Long Island'daki SUNY Kuantum Bilgi Bilimi Merkezi'nden gelen ek fonlarla birlikte Ulusal Bilim Vakfı (hibe # NSF PHY-1912546) tarafından finanse edildi.
