Свет и материя сливаются в квантовом взаимодействии: физики исследуют фотон-электронные взаимодействия в экспериментах с вакуумным резонатором

Физики Райса приближаются к созданию нового состояния конденсированной материи, в котором все электроны в материале действуют как единое целое, манипулируя ими с помощью света и магнитного поля. Эффект, который стал возможным благодаря специально сконструированному, точно настроенному резонатору для терагерцового излучения, демонстрирует одно из самых сильных когда-либо наблюдавшихся явлений взаимодействия света и вещества.

Работа физика Райс Дзюнъитиро Коно и его коллег описана в Nature Physics. По словам Коно, это может способствовать развитию таких технологий, как квантовые компьютеры и средства связи, открывая новые явления тем, кто изучает квантовую электродинамику резонаторов и физику конденсированного состояния.Конденсированное вещество в общем смысле — это все твердое или жидкое, но физики конденсированного состояния изучают гораздо более эзотерические формы, такие как конденсаты Бозе-Эйнштейна. Команда Райса была одной из первых, кто создал конденсат Бозе-Эйнштейна в 1995 году, когда он побудил атомы образовывать газ при ультрахолодных температурах, в котором все атомы теряют свою индивидуальность и ведут себя как единое целое.

Команда Коно работает над чем-то подобным, но с электронами, которые сильно связаны или «одеты» со светом. Ци Чжан, бывший аспирант в группе Коно и ведущий автор статьи, спроектировал и сконструировал исключительно высококачественную полость, содержащую ультратонкий слой арсенида галлия, материала, который они использовали для изучения суперфлуоресценции. Настраивая материал с помощью магнитного поля, чтобы резонировать с определенным состоянием света в полости, они вызвали образование поляритонов, которые действуют коллективно.

«Это нелинейно-оптическое исследование двумерного электронного материала», — сказал Чжан, защитивший докторскую диссертацию. дипломная работа по работе. «Когда вы используете свет для исследования электронной структуры материала, вы обычно ищете поглощение, отражение или рассеяние света, чтобы увидеть, что происходит в материале. Этот свет — всего лишь слабый зонд, и этот процесс называется линейной оптикой.«Нелинейная оптика означает, что свет что-то делает с материалом», — сказал он. «Свет больше не является незначительным возмущением; он сильно взаимодействует с материалом. Когда вы изменяете силу связи, все меняется в материале.

Мы делаем крайний случай нелинейной оптики, где свет и материя связаны таким образом ясно, что у нас больше нет света и материи. У нас есть нечто среднее, называемое поляритоном ».

Исследователи использовали параметр, известный как вакуумное расщепление Раби, чтобы измерить силу взаимодействия света и вещества. «В более чем 99 процентах предыдущих исследований взаимодействия света и вещества в полостях это значение составляет ничтожно малую долю энергии фотонов используемого света», — сказал Синвэй Ли, соавтор и аспирант группы Коно. «В нашем исследовании вакуумное расщепление Раби составляет 10 процентов энергии фотона. Это помещает нас в режим так называемой сверхсильной связи.«Это важный режим, потому что, в конце концов, если вакуумное расщепление Раби станет больше, чем энергия фотона, материя перейдет в новое основное состояние. Это означает, что мы можем вызвать фазовый переход, который является важным элементом в физике конденсированного состояния. " он сказал.

Фазовые переходы — это переходы между состояниями материи, например, лед в воду и пар. Специфический переход, который ищет команда Коно, — это сверхизлучательный фазовый переход, при котором поляритоны переходят в упорядоченное состояние с макроскопической когерентностью.Коно сказал, что количество терагерцового света, попадающего в полость, очень слабое. «То, от чего мы зависим, — это флуктуация вакуума. Вакуум в классическом смысле — это пустое пространство.

В нем ничего нет. Но в квантовом смысле вакуум полон флуктуирующих фотонов, имеющих так называемую нулевую энергию. Этот вакуум фотоны на самом деле то, что мы используем для резонансного возбуждения электронов в нашей полости.

«Эта общая тема известна как квантовая электродинамика резонатора (КЭД)», — сказал Коно. «В КЭД резонатора полость усиливает свет, так что материя в полости резонансно взаимодействует с вакуумным полем. Уникальность твердотельной КЭД резонатора заключается в том, что свет обычно взаимодействует с этим огромным количеством электронов, которые ведут себя как один гигантский атом ".

Он сказал, что твердотельный резонатор QED также является ключевым для приложений, связанных с квантовой обработкой информации, таких как квантовые компьютеры. «Интерфейс свет-материя важен, потому что там происходит так называемое запутывание света и материи. Таким образом, квантовая информация о материи может быть передана свету, а свет может быть куда-то отправлен.«Для повышения полезности КЭД резонатора в квантовой информации, чем сильнее связь света и материи, тем лучше, и необходимо использовать масштабируемую твердотельную систему вместо атомных или молекулярных систем», — сказал он. «Это то, чего мы здесь достигли».

Высококачественные материалы на основе арсенида галлия, использованные в исследовании, были синтезированы методом молекулярно-лучевой эпитаксии Джоном Рино из Sandia National Laboratories и Джоном Уотсоном и Майклом Манфра из Университета Пердью, соавторами статьи. Вейл Пан из Sandia National Laboratories и аспирант Rice Минхан Лу, который участвовал в подготовке и транспортировке образцов, а также в измерениях в терагерцовом диапазоне, также являются соавторами.

Чжан в настоящее время является научным сотрудником Алексея Абрикосова в Аргоннской национальной лаборатории. Коно — профессор Райс в области электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии.

Ли получил премию «Лучшее исследование за первый год» от Департамента электротехники и вычислительной техники Райса за свою работу над проектом.


9 комментариев к “Свет и материя сливаются в квантовом взаимодействии: физики исследуют фотон-электронные взаимодействия в экспериментах с вакуумным резонатором”

  1. Ерофеева Майя

    Путлер уже стонет в отчаянии, раз пошел на такие унижения к Обаме! И его усатая обезьянка Письков вон, как расскулился!

  2. Зухин Зиновий

    Ваш гиркин устроил там беспредел, поэтому послали танки. Если бы не послали, то вы бы повторили крымский сценарий. Всё правильно Пастор сделал!

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.