Ett team ledd av forskare från Rice University använde en unik kombination av tekniker för att observera, för första gången, ett förtätat materiafenomen som andra bara har spekulerat om. Forskningen skulle kunna bidra till utvecklingen av kvantdatorer.

Forskarna, ledd av risfysikern Junichiro Kono och doktorand Xinwei Li, observerade och mätte vad som är känt som ett Bloch-Siegert-skifte i starkt kopplat ljus och materia.

Resultaten av den komplicerade kombinationen av modellering och experiment är föremål för en artikel i Nature Photonics . Tekniken kan leda till en större förståelse för teoretiska förutsägelser i kvantfasövergångar eftersom de experimentella parametrarna som används i Rice-experimenten är mycket justerbara, enligt Kono. I sista hand, han sa, det kan hjälpa till i utvecklingen av robusta kvantbitar för avancerad beräkning.

Bloch-Siegert-skiftet, en teori född på 1940-talet, är en kvantinteraktion där motroterande fält kan samverka. Men sådana interaktioner har varit svåra att upptäcka.

Teorin föreslog Kono och Li att det skulle vara möjligt att upptäcka en sådan förskjutning när ett ljusfält som roterar i en riktning starkt kopplas till ett materiebundet elektronfält som roterar i motsatt riktning. Dessa interaktioner har visat sig svåra att skapa utan de unika verktyg som satts ihop av det Rice-ledda teamet.

"Ljus och materia bör inte resonera med varandra när de roterar i motsatta riktningar, " Sa Kono. "Men, i vårat fall, vi bevisade att de fortfarande starkt kan koppla ihop, eller interagera, även om de inte resonerar med varandra."

Kono och hans kollegor skapade resonansfrekvensförskjutningen i ett tvånivåelektronsystem som induceras genom koppling med ett elektromagnetiskt fält inuti en kavitet även när elektronerna och fältet roterar i motsatta riktningar - en verkligt överraskande effekt som bara inträffar i en regim där ljus och materia blandas ihop i extrem grad.

I detta fall, nivåerna är de för tvådimensionella elektroner i fast galliumarsenid i ett starkt vinkelrät magnetfält. De hybridiserar med det "vakuum" elektromagnetiska fältet i kaviteten för att bilda kvasipartiklar som kallas polaritoner. Denna vakuum-materia hybridisering hade förväntats leda till en ändlig frekvensförskjutning, ett vakuum Bloch-Siegert-skift, i optiska spektra för cirkulärt polariserat ljus som motroterar med elektronerna. Rice-teamet kan nu mäta det.

"I den kondenserade materiens fysik, vi letar ofta efter nya grundtillstånd (lägsta energitillstånd). I det syftet, lätt-materia-koppling anses vanligtvis vara en fiende eftersom ljus driver materia till ett upphetsat (högenergi) tillstånd, ", sa Kono. "Här har vi ett unikt system som förutspås gå in i ett nytt grundtillstånd på grund av stark lätt-materia-koppling. Vår teknik kommer att hjälpa oss att veta när styrkan hos lätt-materia-koppling överstiger en viss tröskel."

Forskningen bygger på en stark vakuum fält-materia-koppling i en högkvalitativ hålighet som labbet skapade och rapporterade först 2016. Resultaten vid den tiden antydde bara närvaron av ett Bloch-Siegert-skifte. "Experimentellt, vi demonstrerade precis den nya regimen, " sa Li. "Men här, vi har en mycket djup förståelse för den inblandade fysiken."

Kono och Li krediterade fysikern Motoaki Bamba från Osaka University för att ha tillhandahållit en teoretisk grund för upptäckten och Katsumasa Yoshioka från Yokohama National University och en tidigare gästforskare vid Rice för att ha tillhandahållit en enhet för att producera cirkulärt polariserat ljus i terahertzområdet för det elektromagnetiska spektrumet.

Labbet använde ljuset för att undersöka skiftet i en ultrahög kvalitet, tvådimensionell elektrongas levererad av Purdue University fysiker Michael Manfra och satt i en galliumarsenid kvantbrunn (för att innehålla partiklarna) under påverkan av ett starkt magnetfält och låg temperatur. Ett terahertz-spektroskop mätte aktiviteten i systemet.

"Linjärt polariserat ljus betyder ett elektriskt växelströmsfält som alltid oscillerar i en riktning, " Sa Kono. "I cirkulärt polariserat ljus, det elektriska fältet roterar." Det gjorde det möjligt för forskarna att skilja mellan vänster- och högerroterande elektroner i deras vakuumbundna kondenserade materia i ett magnetfält, och från det, mäta skiftet.

"I det här arbetet, både teoretiskt och experimentellt, vi visade att även om elektronen roterar på detta sätt och ljuset roterar (åt andra hållet), de interagerar fortfarande starkt med varandra, vilket leder till ett ändligt frekvensskifte känt som Bloch-Siegert-skiftet, " sa Kono.

Att observera växlingen är en direkt indikation på att ultrastark ljus-materia-koppling ogiltigförklarade den roterande vågens approximation, han sa. "Den approximation ligger bakom nästan alla ljus-materia interaktionsfenomen, inklusive lasrar, kärnmagnetisk resonans och kvantberäkning, " Sa Kono. "I varje resonant ljus-materia interaktion, människor är nöjda med denna uppskattning, eftersom kopplingen vanligtvis är svag. Men om kopplingen mellan ljus och materia är stark, det fungerar inte. Det är ett tydligt bevis på att vi är i den ultrastarka kopplingsregimen."