Hittills, forskning inom kvantoptik har främst undersökt förhållandet mellan ljus och materia med hjälp av små atomer som interagerar med elektromagnetiska fält som har betydligt större våglängder. I en okonventionell ny studie, ett team vid Chalmers tekniska universitet i Sverige och Max Planck Institute for the Science of Light gav sig ut för att utforska interaktionen mellan en stor atom och akustiska fält med våglängder flera storleksordningar under atomdimensionerna.

I en tidigare studie, några av forskarna från samma grupp visade att konstgjorda atomer baserade på supraledande qubits kan kopplas piezoelektriskt till ytakustiska vågor. När de jämförde ljud-materia-interaktionen de observerade med den mer konventionella ljus-materia-interaktionen, de fann att de två faktiskt är väldigt lika.

Inspirerad av dessa observationer, de satte sig för att undersöka fysiken i ljus-materia-interaktionen i akustiska system. Dock, de fann att detta bara kunde göras inom parameterregimer som är utmanande, om inte omöjligt, att uppnå utan att använda ljud.

"Vi insåg att ljudets långsamma utbredningshastighet skulle låta oss konstruera konstgjorda atomer med interna tidsfördröjningar, eller "jätte" atomer som vi vill kalla dem, "Gustav Andersson, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vårt mål var att ta reda på hur denna regim skilde sig från det mer standardiserade fallet med små atomer, hur absorptionen och emissionen av fononer från en gigantisk atom skulle se ut."

För att nå den "gigantiska atomregimen" ville de undersöka, forskarna utnyttjade en nyckelfunktion hos ljudvågor – specifikt, deras långsamma spridningshastighet. Faktiskt, ljudvågornas utbredningshastighet är cirka 3000 m/s, vilket är fem storleksordningar långsammare än ljus.

Andersson och hans kollegor fick den konstgjorda atomen att interagera med ljud på två separata punkter. För att deras experiment ska fungera, dock, avståndet mellan dessa två punkter måste vara tillräckligt stort för att säkerställa att tiden då vågorna fortplantade sig över dem var längre än tidsskalan för fotonabsorption och emission.

Det tillvägagångssätt som forskarna antog kunde jämföras med att kontrollera en atoms strålning genom att fästa den på en antenn. Eftersom ljudvågornas hastighet är låg, det tar längre tid för deras fält att fortplanta sig över den gigantiska atomen, ger upphov till vad som kallas icke-markovisk dynamik.

"Vi fick den artificiella atomen att interagera med ljud genom interdigitala givare (IDTs), en periodisk fingerstruktur vars period matchar våglängden för de akustiska ytvågorna, ", förklarade Andersson. "Vi skapade den här separationen genom att effektivt använda två IDT:er som är elektriskt anslutna. Vi använde sedan mikrovågsmätningar vid låg temperatur, standardtekniker för supraledande kretsar, att studera egenskaperna hos den jättelika atomen."

Experimentet som utfördes av Andersson och hans kollegor gav flera intressanta observationer relaterade till samspelet mellan ljud och materia. Till exempel, forskarna kunde demonstrera det icke-exponentiella förfallet och de nya spridningsegenskaperna hos jätte atomer. Dessa nyupptäckta egenskaper orsakas av tidsfördröjningseffekten (dvs icke-markovisk process) på enatomsnivå.

"Den traditionella ramen för kvantoptik är baserad på punktliknande atomer och försummar den tid det tar för ljus att passera en enda atom, "Lingzhen Guo, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "För att förklara de observationer som samlats in i våra experiment, dock, vi måste ta hänsyn till både storlekseffekten och tidsfördröjningen av atomen. Därför, studiet av gigantiska atomer representerar ett nytt paradigm inom kvantoptik."

Anderssons senaste arbete, Guo och resten av deras team visar den icke-markovska naturen hos en gigantisk atom i frekvensspektrumet, samtidigt som det avslöjar dess icke-exponentiella förfall över tiden. I framtiden, de skulle vilja utföra ytterligare studier som kan öka relevansen av akustiska system i kvantinformationsbehandling genom att utnyttja deras fördelar jämfört med rent elektriska kretsar.

"På grund av ljudets korta våglängd, ytakustiska vågresonatorer kan utformas för att stödja många fler resonanslägen än deras elektromagnetiska motsvarigheter, ", sa Andersson. "Genom att koppla dessa lägen tillsammans med supraledande kretsar, vi hoppas kunna skapa komplexa kvanttillstånd på ett hårdvaruminimalt sätt. Det skulle vara spännande att se om sådana system skulle kunna användas för att simulera solid-state kvantsystem eller vissa system för att realisera kvantberäkning."

© 2019 Science X Network