Polaritonen zijn quasideeltjes die worden gevormd wanneer fotonen sterk koppelen met excitaties van materie. Deze quasi-deeltjes, die half-licht en half-materie zijn, ondersteunen het functioneren van een breed scala aan opkomende fotonische kwantumsystemen, waaronder op halfgeleiders gebaseerde nanofotonische apparaten en kwantumelektrodynamische circuitsystemen.

Onderzoekers van Stony Brook University hebben onlangs een nieuw polaritonsysteem geïntroduceerd waarin de materie-excitatie wordt vervangen door een atoom in een optisch rooster en het foton door een atomaire materiegolf. Dit systeem, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Physics , resulteert in materie-golf polaritons, en zou interessante mogelijkheden kunnen openen voor de studie van polaritonische kwantummaterie.

"Een paar jaar geleden raakten we geïnteresseerd in het idee om ultrakoude atomen te gebruiken om het dynamische gedrag van kwantumstralers te simuleren," vertelde Dr. Dominik Schneble, hoofd van het team van onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, aan Phys.org. "Het blijkt dat het mogelijk is om een ​​kunstmatig atoom te bouwen dat spontaan materiegolven uitzendt, op ongeveer dezelfde manier als een atoom spontaan een foton uitzendt (zoals beschreven door het zogenaamde Weisskopf-Wigner-model)."

Schneble en zijn collega's toonden aan dat het gebruik van zo'n kunstmatig atoom in plaats van een 'echt atoom' om het dynamische gedrag van kwantumstralers te bestuderen enkele voordelen had. Het meest opvallende was dat het kunstmatige systeem de onderzoekers in staat stelde om belangrijke parameters vrij af te stemmen, zoals de excitatie-energie van de emitter en de koppeling ervan met het vacuüm.

De kunstmatige zender die ze aanvankelijk creëerden, bestond uit een microscopisch kleine val (d.w.z. een putje van het optische rooster), die was gevuld met een enkel atoom. Het team implementeerde een mechanisme waarmee het enkele atoom zijn spin kon omdraaien en spontaan kon worden vrijgelaten in een golfgeleider van materie, waarin de vallen zelf waren ingebed.

"Cruciaal en in tegenstelling tot conventionele kwantumstralers, was dit het enige toegestane vervalmechanisme en de straling kon niet ergens anders ontsnappen", legde Schneble uit. "In een krant die uitkwam in Natuur in 2018 zagen we dat verval onder deze omstandigheden nogal exotische kenmerken kan hebben. In het bijzonder, wanneer we de excitatie-energie negatief instellen (het klinkt misschien raar, maar kan ook gelden voor 'echte emitters' in een fotonisch-bandgap-materiaal), kan de uitgezonden materiegolfstraling, die negatieve energie heeft, niet ontsnappen en zweefde in plaats daarvan rond de zender als een coherente wolk van vacuümexcitaties."

In hun nieuwe studie maakten Schneble en zijn collega's gebruik van het feit dat de emitters die ze hadden geïmplementeerd (d.w.z. de bronnen) inderdaad deel uitmaakten van een periodiek rooster dat ook veel atomen kan bevatten. Hierdoor kunnen transport- en interactie-effecten binnen het rooster belangrijk worden.

"Als we de emissiekenmerken even verwaarlozen, maar alleen naar het rooster kijken, kunnen deze atomen zelf tunnelen of hoppen van site naar site," zei Schneble. "Of dit gebeurt, hangt af van de kracht van het springen in vergelijking met de energiekosten als gevolg van de afstoting tussen twee of meer atomen op dezelfde roosterplaats (dit staat bekend als het Bose-Hubbard-model)."

Het belangrijkste doel van de studie van de onderzoekers was om te bepalen wat er gebeurt als ze de emissiekenmerken op hun optische roostersysteem aanzetten, vooral bij een negatieve energie waar straling niet kan ontsnappen. Interessant genoeg vonden ze bewijs dat zwevende materiegolven de neiging hadden om in naburige putten te lekken.

In een naburige put kan een omgekeerd vervalproces (d.w.z. absorptie) de zwevende materiegolf terug omzetten in een gevangen atoom. Door dit proces loopt tegelijkertijd de bron leeg.

"Dit betekent in feite dat het ingesloten atoom, gekleed in de materiegolfwolk, een extra mechanisme heeft om tussen roosterlocaties te springen," zei Schneble. "Aan de andere kant kunnen de materiegolven in de golfgeleider nooit vrij reizen en omdat ze vastgeketend zijn aan de atomen in het rooster, kunnen ze alleen maar voortspringen."

Als gevolg hiervan worden in dit systeem de materiegolven minder mobiel, of 'zwaarder', terwijl het atoom mobieler of 'lichter' wordt. De materiegolven en de atomen in het rooster vormen samengestelde quasideeltjes die aspecten van beide samenstellende delen dragen, genaamd 'materiegolfpolaritonen'.

"Wat dit systeem interessant maakt, is dat de atomen in het rooster (die je zelf 'excitaties van het lege rooster' zou kunnen noemen) elkaar afstoten op de sites," legde Schneble uit. "Als nu materiegolven aan die atomen zijn gebonden, dan is er ook een effectieve afstoting tussen de materiegolven. Dit terugvertalen naar een conventioneel polaritonsysteem waarin je onze materiegolven vervangt door fotonen en de hoppende atomen in het rooster door exciton polaritons (of andere materie-excitaties), nu heb je een effectieve afstoting tussen fotonen tot je beschikking."

Het is bekend dat fotonen op zichzelf geen interactie met elkaar hebben. De sterke polariton-interactie die door de onderzoekers is onthuld, is dus zeer interessant wanneer geëxtrapoleerd naar een conventioneel systeem.

"Het unieke kenmerk van ons platform is dat de materiegolfpolaritonen verliesvrij zijn, in tegenstelling tot op fotonen gebaseerde polaritonsystemen, waarvan de levensduur wordt beperkt door spontaan stralingsverval in de omgeving," zei Schneble.

Net als hun eerdere studies gericht op spontaan verval, opent het recente polaritonwerk van dit team van onderzoekers nieuwe mogelijkheden voor toegang tot parameterregimes die tot nu toe ontoegankelijk waren met conventionele op fotonen gebaseerde systemen. In de toekomst zou het dus diepgaande verkenningen van polaritonfysica in nieuwe regimes mogelijk kunnen maken.

"Ons onderzoek maakt studies van polaritonische systemen mogelijk met de hoge flexibiliteit en controle van een analoge kwantumsimulatie", voegde Schneble eraan toe. "Vanwege de afwezigheid van ongecontroleerde stralingsverliezen, is het over het algemeen best interessant om sterk gekoppelde stralingssystemen met materiegolven te onderzoeken, en polaritonkenmerken zullen een belangrijke rol spelen in dergelijke studies. Natuurlijk zijn polaritonische platforms zelf zeer relevant voor toepassingen in QIST , en ons werk zou ook in deze context interessant moeten zijn." + Verder verkennen

Ontdekking van materie-golf polaritons werpt nieuw licht op fotonische kwantumtechnologieën

© 2022 Science X Network