Wetenschappers hebben een cruciale nieuwe doorbraak bereikt in de zoektocht naar controle over licht om de volgende generatie kwantumdetectie en -computers te ontwikkelen.

Het team van onderzoekers, waaronder Dr. Oleksandr Kyriienko van de Universiteit van Exeter, heeft aangetoond dat het beheersen van licht kan worden bereikt door het induceren en meten van een niet-lineaire faseverschuiving tot een enkel polaritonniveau.

Polaritonen zijn hybride deeltjes die eigenschappen van licht en materie combineren. Ze ontstaan ​​in optische structuren bij sterke licht-materie koppeling, waar fotonen hybridiseren met onderliggende deeltjes in de materialen - quantum well excitonen (gebonden elektron-gat paren).

Het nieuwe onderzoek, geleid door de experimentele groep van Prof. D. Krizhanovskii van de Universiteit van Sheffield, heeft waargenomen dat een interactie tussen polaritonen in micropilaren leidt tot een cross-phase-modulatie tussen modi van verschillende polarisatie.

De faseverandering is significant, zelfs in de aanwezigheid van (gemiddeld) een enkele polariton, en kan verder worden vergroot in structuren met een sterkere opsluiting van licht. Dit biedt de mogelijkheid voor kwantumpolaritonische effecten die kunnen worden gebruikt voor kwantumdetectie en -verwerking.

Theoretische analyse, geleid door Dr. Oleksandr Kyriienko, toont aan dat de waargenomen faseverschuiving van een enkele polariton verder kan worden vergroot, en dat door trapsgewijze micropilaren een pad biedt naar polaritonische kwantumpoorten.

Kwantumeffecten met zwakke lichtbundels kunnen op hun beurt helpen bij het detecteren van chemicaliën, gaslekkage en het uitvoeren van berekeningen met een aanzienlijk hogere snelheid.

Het onderzoek is gepubliceerd door Nature Photonics .

Dr. Kyriienko zegt dat "de experimentele resultaten onthullen dat kwantumeffecten op enkel polaritonniveau gemeten kunnen worden in een enkele micropilaar. Vanuit theoretisch oogpunt is het belangrijk om faseverschuivingen te vergroten en het systeem te ontwikkelen tot een optisch gestuurde fasepoort. We zullen zeker meer inspanningen zien om kwantumpolaritonische roosters te bouwen als een platform voor kwantumtechnologie."

Polaritonen hebben bewezen een uitstekend platform te zijn voor niet-lineaire optica, waar deeltjes een verhoogde coherentie genieten vanwege het holteveld en sterke niet-lineaire door exciton-excitonverstrooiing.

Eerder leidden polaritonische experimenten tot observatie van polaritonische Bose-Einstein-condensatie en verschillende macroscopische niet-lineaire effecten, waaronder de vorming van solitonen en wervels. De waarneming van kwantumpolaritonische effecten in de lage bezettingslimiet blijft echter een onbekend terrein.

De studie toont aan dat polaritons niet-lineariteit en coherentie kunnen behouden bij extreem kleine beroepen. Dit leidt tot een zoektocht naar polaritonische systemen die de kwantumeffecten verder kunnen versterken en als kwantumapparaten kunnen werken.

Dr. Paul Walker, de corresponderende auteur van de studie, legt uit dat ze "micropilaren van hoge kwaliteit uit galliumarsenide hebben gebruikt die zijn geleverd door medewerkers van de Universiteit van Parijs Saclay, Frankrijk. Deze pijlers beperken modi van verschillende polarisatie die qua energie dicht bij elkaar liggen. Door te pompen licht in een van de modi (fundamenteel), tasten we een signaal af dat naar een andere (hogere energie) modus wordt gestuurd, en zien we dat de aanwezigheid van een zwakke (enkele foton) puls leidt tot polarisatierotatie.Dit kan worden gezien als een gecontroleerde faserotatie. "

De hoofdauteur van de studie, Prof. Krizhanovskii, concludeert dat "in het gepresenteerde experiment we een eerste stap hebben gezet om enkelvoudige polaritoneffecten te zien. Er is zeker ruimte voor verbetering. In feite gebruiken we holtes van kleinere omvang en optimaliseren we de structuur die we verwachten om faseverschuivingsorden van grootte te vergroten. Dit zal de state-of-the-art voor toekomstige polaritonische chips tot stand brengen." + Verder verkennen

Het versterken van polaritonische niet-lineariteit met een mechanisme om polaron-polaritonen te creëren