Polaritoner är kvasipartiklar som bildas när fotoner kopplar ihop starkt med excitationer av materia. Dessa kvasipartiklar, som är halvljus och halvmateria, underbygger funktionen hos ett brett spektrum av framväxande fotoniska kvantsystem, inklusive halvledarbaserade nanofotoniska enheter och kretskvantelektrodynamiska system.

Forskare vid Stony Brook University har nyligen introducerat ett nytt polaritonsystem där materiaexcitationen ersätts av en atom i ett optiskt gitter och fotonen av en atomär materiavåg. Detta system, introducerat i en artikel publicerad i Nature Physics , resulterar i materiavågspolaritoner och kan öppna intressanta möjligheter för studier av polaritonisk kvantmateria.

"För några år sedan blev vi intresserade av idén att använda ultrakalla atomer för att simulera det dynamiska beteendet hos kvantemitters", säger Dr Dominik Schneble, chef för forskargruppen som genomförde studien, till Phys.org. "Det visar sig att det är möjligt att bygga en konstgjord atom som spontant avger materiavågor, ungefär på samma sätt som en atom spontant avger en foton (som beskrivs av den så kallade Weisskopf-Wigner-modellen)."

Schneble och hans kollegor visade att användningen av en sådan konstgjord atom istället för en "riktig atom" för att studera kvantemitters dynamiska beteende hade några fördelar. Mest anmärkningsvärt är att det artificiella systemet gjorde det möjligt för forskarna att fritt ställa in viktiga parametrar, såsom sändarens excitationsenergi och dess koppling till vakuumet.

Den artificiella sändaren som de ursprungligen skapade bestod av en mikroskopisk fälla (dvs en brunn i det optiska gittret), som var fylld med en enda atom. Teamet implementerade en mekanism som gjorde att den enstaka atomen kunde vända sin spinn och spontant släppas ut i en materiavågledare, i vilken själva fällorna var inbäddade.

"Avgörande och i motsats till konventionella kvantemitters var detta den enda sönderfallsmekanismen som tillåts och strålningen kunde inte fly någon annanstans," förklarade Schneble. "I en tidning som kom ut i Nature 2018 observerade vi att förfall under dessa förhållanden kan ha ganska exotiska egenskaper. Speciellt när vi ställer in excitationsenergin på negativ (det kan låta konstigt, men det kan också hålla för "riktiga sändare" i ett fotoniskt bandgap-material), kunde den emitterade materiavågsstrålningen, som har negativ energi, inte fly och istället svävade runt sändaren som ett sammanhängande moln av vakuumexcitationer."

I sin nya studie utnyttjade Schneble och hans kollegor det faktum att de utsändare som de hade implementerat (d.v.s. brunnarna) verkligen var en del av ett periodiskt gitter som också kan innehålla många atomer. Som ett resultat kan transport- och interaktionseffekter inuti gittret bli viktiga.

"Om vi ​​för ett ögonblick försummar emissionsfunktionerna utan bara tittar på gittret, kan dessa atomer av sig själva tunnelera, eller hoppa, från plats till plats," sa Schneble. "Om detta händer eller inte beror på hoppningens styrka jämfört med energikostnaden på grund av repulsionen mellan två eller flera atomer på samma gitterplats (detta kallas Bose-Hubbard-modellen)."

Huvudsyftet med forskarnas studie var att avgöra vad som händer när de aktiverade emissionsfunktionerna på sitt optiska gittersystem, särskilt vid en negativ energi där strålning inte kan fly. Intressant nog hittade de bevis på att svävande materiavågor tenderade att läcka in i närliggande brunnar.

I en angränsande brunn kan en omvänd sönderfallsprocess (d.v.s. absorption) omvandla den svävande materiavågen tillbaka till en instängd atom. Genom denna process töms ursprungsbrunnen samtidigt ut.

"Detta betyder effektivt att den fångade atomen, klädd i materiavågsmolnet, har en ytterligare mekanism för att hoppa mellan gitterplatserna," sa Schneble. "Å andra sidan kan materiavågorna i vågledaren aldrig färdas fritt på egen hand och eftersom de är kedjade till atomerna i gittret kan de bara hoppa med."

Som ett resultat blir materievågorna i detta system mindre rörliga, eller "tyngre", medan atomen blir mer rörlig eller "lättare". Materievågorna och atomerna i gittret bildar sammansatta kvasipartiklar som bär aspekter av båda dess beståndsdelar, kallade "materiavågspolaritoner."

"Vad som gör det här systemet intressant är att atomerna i gittret (som man själva kan kalla "excitationer av det tomma gittret") stöter bort varandra på platserna," förklarade Schneble. "Nu, om materiavågor är bundna till dessa atomer, så finns det också en effektiv repulsion mellan materievågorna. Översätta detta tillbaka till ett konventionellt polaritonsystem där du ersätter våra materiavågor med fotoner och de hoppande atomerna i gittret med exciton polaritoner (eller andra materialexcitationer), nu har du till ditt förfogande en effektiv repulsion mellan fotoner."

På egen hand är fotoner kända för att inte interagera med varandra. Den starka polaritoninteraktion som forskarna avslöjade är därför mycket intressant när den extrapoleras till ett konventionellt system.

"Det unika med vår plattform är att materiavågspolaritonerna är förlustfria, i motsats till fotonbaserade polaritonsystem, vars livslängd begränsas av spontant strålningssönderfall i miljön", sa Schneble.

I likhet med deras tidigare studier som fokuserar på spontant förfall, öppnar det senaste polaritonarbetet av detta team av forskare nya möjligheter för att komma åt parameterregimer som hittills har varit otillgängliga med konventionella fotonbaserade system. I framtiden skulle det således kunna möjliggöra djupgående utforskningar av polaritonfysik i nya regimer.

"Vår forskning möjliggör studier av polaritonsystem med den höga flexibiliteten och kontrollen av en analog kvantsimulering," tillade Schneble. "På grund av frånvaron av okontrollerade strålningsförluster är det generellt sett ganska intressant att utforska starkt kopplade strålningssystem med materiavågor, och polaritonegenskaper kommer att spela en viktig roll i sådana studier. Naturligtvis har polaritoniska plattformar i sig hög relevans för applikationer i QIST , och vårt arbete borde vara av intresse även i detta sammanhang." + Utforska vidare

Upptäckten av materiavågspolaritoner kastar nytt ljus över fotonisk kvantteknologi

© 2022 Science X Network