När du tänker på tomt utrymme föreställer du dig nästan säkert ett vakuum där inget intressant någonsin kan hända. Men om vi zoomar in på små längdskalor där kvanteffekter börjar bli viktiga, visar det sig att det du trodde var tomt faktiskt alltid är fyllt med en sjudande massa av elektromagnetisk aktivitet, när virtuella fotoner flimrar in och ut ur existensen. .
Detta oväntade fenomen är känt som vakuumfluktuationsfältet. Men eftersom dessa fluktuationer av ljusenergi är så små och flyktiga i tiden, är det svårt att hitta sätt för materia att interagera med dem, särskilt inom en enda integrerad enhet.
I en studie med titeln "Elektrisk detektion av ultrastark koherent interaktion mellan terahertzfält och elektroner med hjälp av kvantpunktskontakter" publicerad denna månad i Nano Letters , lyckades forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo tillverka ett enda hybridsystem i nanoskala för att göra exakt detta. I sin design förbinder en kvantpunktskontakt en enda splitringresonator på chipet med ett tvådimensionellt elektronsystem.
Resonatorn med delad ring, som är en fyrkantig metallslinga i nanostorlek med ett litet gap, reagerar starkast när den exciteras med specifika resonansfrekvenser av terahertz elektromagnetisk strålning. Konventionella optiska mätningar krävde tidigare arrayer med många resonatorer, men teamet kan nu upptäcka ultrastark koppling med en enda terahertz-resonator med delad ring kopplad till 2D-elektroner.
För att göra kvantinformationsbehandling mer genomförbar i framtiden är det viktigt att kunna bestämma kvanttillståndet med hjälp av en enkel, enkel resonatorstruktur. Detta mål görs också mer uppnåeligt med hjälp av elektrisk, snarare än optisk, avkänning, som utförs med hjälp av den elektriska kvantpunktskontakten.
"Materia som kan interagera med vakuumfluktuationer i det elektromagnetiska fältet sägs vara i den ultrastarka kopplingsregimen", säger första författaren till studien Kazuyuki Kuroyama. Experimentet visade att strömsignalen i kvantpunktskontakten kunde användas för att detektera den ultrastarka kopplingen av den enkla delade ringresonatorn med 2D-elektrongasen.
Dessutom skulle elektrisk ström kunna mätas i kvantpunktskontakten, även utan extern strålning. Modulationer i strömmen gjorde det möjligt för forskarna att dra slutsatsen att interaktioner mellan 2D-elektrongasen och resonatorns vakuumfältsvängningar fortfarande äger rum i frånvaro av terahertzstrålning.
"Våra fynd kan möjliggöra mycket känsliga kvantsensorer som fungerar baserat på kopplingen mellan vakuumfluktuationer och en integrerad hybrid kvantenhet", säger Kazuhiko Hirakawa, senior författare.
Förutom att lära sig mer om de grundläggande naturlagarna i mycket liten skala, kan resultaten av denna studie användas för att utveckla framtida kvantdatorer som kan använda de vanliga fenomenen för att bearbeta eller överföra data.
Mer information: Kazuyuki Kuroyama et al, Elektrisk detektering av ultrastark koherent interaktion mellan Terahertz-fält och elektroner med hjälp av kvantpunktskontakter, nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02272
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av University of Tokyo
