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.


Портал обо всем