Een team onder leiding van wetenschappers van Rice University gebruikte een unieke combinatie van technieken om te observeren, Voor de eerste keer, een fenomeen van gecondenseerde materie waarover anderen alleen maar hebben gespeculeerd. Het onderzoek kan helpen bij de ontwikkeling van kwantumcomputers.

De onderzoekers, onder leiding van rijstfysicus Junichiro Kono en afgestudeerde student Xinwei Li, waargenomen en gemeten wat bekend staat als een Bloch-Siegert-verschuiving in sterk gekoppeld licht en materie.

Resultaten van de gecompliceerde combinatie van modelleren en experimenteren zijn het onderwerp van een paper in Natuurfotonica . De techniek zou kunnen leiden tot een beter begrip van theoretische voorspellingen in kwantumfaseovergangen, omdat de experimentele parameters die in de Rice-experimenten worden gebruikt, zeer aanpasbaar zijn, volgens Kono. uiteindelijk, hij zei, het kan helpen bij de ontwikkeling van robuuste kwantumbits voor geavanceerd computergebruik.

De Bloch-Siegert-verschuiving, een theorie geboren in de jaren 1940, is een kwantuminteractie waarin tegengesteld draaiende velden kunnen interageren. Maar dergelijke interacties waren moeilijk te detecteren.

De theorie suggereerde Kono en Li dat het mogelijk zou kunnen zijn om een ​​dergelijke verschuiving te detecteren wanneer een lichtveld dat in de ene richting roteert sterk gekoppeld is aan een materiegebonden elektronenveld dat in de tegenovergestelde richting roteert. Deze interacties zijn moeilijk te maken gebleken zonder de unieke tools die door het door Rice geleide team zijn samengesteld.

"Licht en materie zouden niet met elkaar moeten resoneren als ze in tegengestelde richtingen draaien, "Zei Kono. "Echter, in ons geval, we hebben bewezen dat ze nog steeds sterk kunnen paren, of interactie, ook al resoneren ze niet met elkaar."

Kono en zijn collega's creëerden de resonantiefrequentieverschuiving in een elektronensysteem op twee niveaus, geïnduceerd door koppeling met een elektromagnetisch veld in een holte, zelfs wanneer de elektronen en het veld in tegengestelde richtingen draaien - een echt verrassend effect dat alleen optreedt in een regime waar licht en materie zijn in extreme mate met elkaar vermengd.

In dit geval, de niveaus zijn die van tweedimensionale elektronen in vast galliumarsenide in een sterk loodrecht magnetisch veld. Ze hybridiseren met het "vacuüm" elektromagnetische veld in de holte om quasideeltjes te vormen die bekend staan ​​​​als polaritonen. Deze hybridisatie van vacuüm-materie zou leiden tot een eindige frequentieverschuiving, een vacuüm Bloch-Siegert-ploeg, in optische spectra voor circulair gepolariseerd licht dat in tegengestelde richting draait met de elektronen. Het Rice-team kan het nu meten.

"In de fysica van de gecondenseerde materie, we zoeken vaak naar nieuwe grondtoestanden (laagste energietoestanden). Met dat doel, licht-materie koppeling wordt meestal als een vijand beschouwd omdat licht materie naar een aangeslagen (hogere-energie) toestand drijft, "Zei Kono. "Hier hebben we een uniek systeem waarvan wordt voorspeld dat het in een nieuwe grondtoestand gaat vanwege een sterke koppeling tussen licht en materie. Onze techniek zal ons helpen te weten wanneer de sterkte van licht-materie koppeling een bepaalde drempel overschrijdt."

Het onderzoek bouwt voort op een sterke vacuümveld-materiekoppeling in een holte met een hoogwaardige factor die het lab voor het eerst creëerde en rapporteerde in 2016. De resultaten duidden destijds alleen op de aanwezigheid van een Bloch-Siegert-verschuiving. "Experimenteel, we hebben net het nieuwe regime gedemonstreerd, " zei Li. "Maar hier, we hebben een zeer diep begrip van de betrokken fysica."

Kono en Li hebben de natuurkundige Motoaki Bamba van de Universiteit van Osaka gecrediteerd voor het leveren van een theoretische basis voor de ontdekking en Katsumasa Yoshioka van de Yokohama National University en een voormalig gastwetenschapper aan Rice voor het leveren van een apparaat om circulair gepolariseerd licht te produceren in het terahertz-bereik van het elektromagnetische spectrum.

Het lab gebruikte het licht om de verschuiving te onderzoeken in een ultrahoge kwaliteit, tweedimensionaal elektronengas geleverd door Purdue University-fysicus Michael Manfra en geplaatst in een galliumarsenide-kwantumbron (om de deeltjes te bevatten) onder invloed van een sterk magnetisch veld en lage temperatuur. Een terahertz-spectroscoop heeft de activiteit in het systeem gemeten.

"Lineair gepolariseerd licht betekent een elektrisch wisselstroomveld dat altijd in één richting oscilleert, ' zei Kono. 'In circulair gepolariseerd licht, het elektrische veld roteert." Dat stelde de onderzoekers in staat om onderscheid te maken tussen links- en rechtsdraaiende elektronen in hun vacuümgebonden gecondenseerde materie in een magnetisch veld, en van daaruit meet de verschuiving.

"In dit werk, zowel theoretisch als experimenteel, we hebben aangetoond dat hoewel het elektron deze kant op draait en het licht (de andere kant op), ze hebben nog steeds een sterke wisselwerking met elkaar, wat leidt tot een eindige frequentieverschuiving die bekend staat als de Bloch-Siegert-verschuiving, ' zei Kono.

Het observeren van de verschuiving is een directe indicatie dat ultrasterke licht-materiekoppeling de benadering van de roterende golf ongeldig maakte, hij zei. "Die benadering zit achter bijna alle interactiefenomeen tussen licht en materie, inclusief lasers, nucleaire magnetische resonantie en quantum computing, "Zei Kono. "In elke resonerende interactie tussen licht en materie, mensen zijn tevreden met deze benadering, omdat de koppeling meestal zwak is. Maar als de koppeling tussen licht en materie sterk is, het werkt niet. Dat is een duidelijk bewijs dat we ons in het ultrasterke koppelingsregime bevinden."