Поляритоны материи-волны в системе оптической решетки
Исследователи из Университета Стоуни-Брук недавно представили новую поляритонную систему, в которой возбуждение материи заменено атомом в оптической решетке, а фотон — волной атомарной материи. Эта система, представленная в статье, опубликованной в журнале Nature Physics , приводит к поляритонам материи-волны и может открыть интересные возможности для изучения поляритонной квантовой материи.
Художественное изображение результатов исследования поляритона показывает атомы в оптической решетке, образующие изолирующую фазу (слева); атомы превращаются в поляритоны материи-волны через вакуумную связь, опосредованную микроволновым излучением, представленным зеленым цветом (в центре); поляритоны становятся подвижными и образуют сверхтекучую фазу для сильной вакуумной связи (справа). Предоставлено: Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University.
Поляритоны — это квазичастицы, которые образуются, когда фотоны сильно взаимодействуют с возбуждениями материи. Эти квазичастицы, которые представляют собой полусвет и полуматерию, лежат в основе функционирования широкого спектра возникающих фотонных квантовых систем, включая полупроводниковые нанофотонные устройства и схемные квантово-электродинамические системы.
Исследователи из Университета Стоуни-Брук недавно представили новую поляритонную систему, в которой возбуждение материи заменено атомом в оптической решетке, а фотон — волной атомарной материи. Эта система, представленная в статье, опубликованной в журнале Nature Physics , приводит к поляритонам материи-волны и может открыть интересные возможности для изучения поляритонной квантовой материи.
«Несколько лет назад нас заинтересовала идея использования ультрахолодных атомов для моделирования динамического поведения квантовых излучателей », — рассказал Phys.org доктор Доминик Шнебле, глава группы исследователей, проводивших исследование. «Оказывается, можно построить искусственный атом, который спонтанно излучает материальные волны, во многом так же, как атом спонтанно излучает фотон (как описано в так называемой модели Вайскопфа-Вигнера)».
Шнебле и его коллеги показали, что использование такого искусственного атома вместо «настоящего атома» для изучения динамического поведения квантовых излучателей имеет несколько преимуществ. В частности, искусственная система позволяла исследователям свободно настраивать важные параметры, такие как энергия возбуждения излучателя и его связь с вакуумом.
Первоначально созданный ими искусственный излучатель состоял из микроскопической ловушки (т. е. ямы оптической решетки), заполненной одним атомом. Команда реализовала механизм, который позволял отдельному атому переворачивать свое вращение и спонтанно высвобождаться в материальный волновод, в который были встроены сами ловушки.
«Крайне важно, что в отличие от обычных квантовых излучателей это был единственный разрешенный механизм распада, и излучение не могло уйти куда-то еще», — объяснил Шнебле. «В статье www.nature.com/articles/s41586-018-0348-z , вышедшей в журнале Nature в 2018 году, мы заметили, что распад в этих условиях может иметь довольно экзотические черты. В частности, когда мы устанавливаем энергию возбуждения отрицательной (это может показаться странным, но также может иметь место для «настоящих излучателей» в материале с фотонной запрещенной зоной), испускаемое излучение материи-волны, имеющее отрицательную энергию, не могло уйти и вместо этого завис вокруг излучателя в виде когерентного облака вакуумных возбуждений».
В своем новом исследовании Шнебле и его коллеги использовали тот факт, что реализованные ими эмиттеры (то есть ямы) действительно были частью периодической решетки, которая также может содержать много атомов. В результате могут стать важными эффекты переноса и взаимодействия внутри решетки.
«Если мы на мгновение пренебрежем особенностями излучения, а просто посмотрим на решетку, эти атомы могут сами по себе туннелировать или прыгать с места на место», — сказал Шнебле. «Происходит это или нет, зависит от силы прыжка по сравнению с затратами энергии из-за отталкивания между двумя или более атомами в одном и том же узле решетки (это известно как модель Боуза-Хаббарда)».
Основная цель исследования исследователей заключалась в том, чтобы определить, что происходит, когда они включают функции излучения в своей системе оптической решетки, особенно при отрицательной энергии, когда излучение не может выйти. Интересно, что они нашли доказательства того, что парящие волны материи имеют тенденцию просачиваться в соседние колодцы.
В соседней яме процесс обратного распада (т. е. поглощения) может преобразовать парящую волну материи обратно в захваченный атом. Благодаря этому процессу зарождающийся колодец одновременно опорожняется.
«Это фактически означает, что захваченный атом, облаченный в облако материи-волны, имеет дополнительный механизм для прыжков между узлами решетки», — сказал Шнебле. «С другой стороны, волны материи в волноводе никогда не могут свободно перемещаться сами по себе и, будучи прикованы к атомам в решетке, все, что они могут делать, это прыгать».
В результате в этой системе волны материи становятся менее подвижными, или «тяжелее», а атом становится более подвижным, или «легче». Волны материи и атомы в решетке образуют составные квазичастицы , которые несут аспекты обеих составляющих, получившие название «поляритоны материи-волны».
«Что делает эту систему интересной, так это то, что атомы в решетке (которые сами можно назвать «возбуждениями пустой решетки») отталкиваются друг от друга на узлах», — объяснил Шнебле. «Теперь, если волны материи связаны с этими атомами, то между волнами материи также существует эффективное отталкивание. Если перевести это обратно в обычную поляритонную систему, в которой вы заменяете наши волны материи фотонами, а прыгающие атомы в решетке — экситонами. поляритонов (или других возбуждений материи), теперь в вашем распоряжении эффективное отталкивание фотонов».
Известно, что фотоны сами по себе не взаимодействуют друг с другом. Таким образом, сильное поляритонное взаимодействие, открытое исследователями, очень интересно экстраполировать на обычную систему.
«Уникальная особенность нашей платформы заключается в том, что поляритоны материи-волны не имеют потерь, в отличие от поляритонных систем на основе фотонов, время жизни которых ограничено спонтанным радиационным распадом в окружающую среду», — сказал Шнебле.
Подобно их более ранним исследованиям, посвященным спонтанному распаду, недавняя работа этой группы исследователей с поляритоном открывает новые возможности для доступа к режимам параметров, которые до сих пор были недоступны с использованием обычных систем на основе фотонов. Таким образом, в будущем это позволит проводить углубленные исследования поляритонной физики в новых режимах.
«Наше исследование позволяет изучать поляритонные системы с высокой гибкостью и контролем аналогового квантового моделирования», — добавил Шнебле. «Из-за отсутствия неконтролируемых радиационных потерь, как правило, довольно интересно исследовать сильно связанные радиационные системы с волнами материи, и поляритонные свойства будут играть важную роль в таких исследованиях. Конечно, сами поляритонные платформы имеют большое значение для приложений в QIST и наша работа должна представлять интерес и в этом контексте».
