Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Gennem skueglasset:Kunstige molekyler åbner døren til ultrahurtige polaritoniske enheder

De spektrale vægte af oscillerende tilstande er forbundet med diskrete spektrallinjer. Deres antal og adskillelse kan styres ved at ændre antallet og geometrien af ​​kondensat, afspejles af koblingsstyrkerne. Kredit: Fysisk gennemgang B (2021). DOI:10.1103/PhysRevB.103.L060507

Forskere fra Skoltech og University of Cambridge har vist, at polaritoner, de skæve partikler, der kan ende med at køre fremtidens kvantesupercomputere, kan danne strukturer, der opfører sig som molekyler - og disse "kunstige molekyler" kan potentielt konstrueres efter behov. Papiret, der beskriver disse resultater, blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang B .

Polaritoner er kvantepartikler, der består af en foton og en exciton, en anden kvasipartikel, at forene lys og stof i en mærkelig forening, der åbner op for et væld af muligheder i næste generations polaritoniske enheder. Alexander Johnston, Kirill Kalinin og Natalia Berloff, professor ved Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials og University of Cambridge, har vist, at geometrisk koblede polariton kondenserer, som optræder i halvlederenheder, er i stand til at simulere molekyler med forskellige egenskaber.

Almindelige molekyler er grupper af atomer bundet sammen med molekylære bindinger, og deres fysiske egenskaber adskiller sig ganske drastisk fra deres atomers egenskaber:overvej vandmolekylet, H2O, og elementært brint og oxygen. "I vores arbejde vi viser, at klynger af interagerende polaritoniske og fotoniske kondensater kan danne en række eksotiske og helt adskilte enheder - "molekyler" - som kan manipuleres kunstigt. Disse "kunstige molekyler" besidder nye energitilstande, optiske egenskaber, og vibrationstilstande fra kondensaterne, der omfatter dem, "Johnston, ved University of Cambridge Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, forklarer.

Da forskere kørte numeriske simuleringer af to, tre, og fire interagerende polaritonkondensater, de bemærkede nogle mærkelige asymmetriske stationære tilstande, hvor ikke alle kondensaterne har samme tæthed i deres grundtilstand. "Ved nærmere undersøgelse, vi fandt ud af, at sådanne tilstande kom i en lang række forskellige former, som kunne styres ved at manipulere visse fysiske parametre i systemet. Dette fik os til at foreslå sådanne fænomener som "kunstige polaritonmolekyler" og til at undersøge deres potentielle anvendelser i kvanteinformationssystemer, " siger Johnston.

I særdeleshed, holdet fokuserede på en "asymmetrisk dyade, " som består af to interagerende kondensater med ulige besættelser. Når to af disse dyader kombineres til en tetradstruktur, sidstnævnte er, i en eller anden forstand, analogt med et homonukleært molekyle - f.eks. til molekylært hydrogen H2. Desuden, kunstige polaritonmolekyler kan også danne mere komplicerede strukturer, som kunne opfattes som "kunstige polaritonforbindelser."

"Der er intet, der forhindrer mere komplekse strukturer i at blive skabt. i vores arbejde har vi fundet ud af, at der er en bred vifte af eksotiske, asymmetriske tilstande mulige i tetrad-konfigurationer. I nogle af disse, alle kondensater har forskellige tætheder (på trods af at alle koblinger er lige stærke), inviterer til en analogi med kemiske forbindelser, ", bemærker Alexander Johnston.

I specifikke tetrad-strukturer, hver asymmetrisk dyade kan ses som et individuelt "spin, " defineret ved orienteringen af ​​tæthedsasymmetrien. Dette har interessante konsekvenser for systemets frihedsgrader (de uafhængige fysiske parametre, der kræves for at definere tilstande); "snurrene" introducerer en diskret grad af frihed, foruden de kontinuerlige frihedsgrader givet af kondensatfaserne.

Den relative orientering af hver af dyaderne kan styres ved at variere koblingsstyrken mellem dem. Da kvanteinformationssystemer potentielt kan have øget nøjagtighed og effektivitet, hvis de anvender en form for hybrid diskret-kontinuerlig system, holdet foreslog derfor denne hybride tetrad-struktur som et potentielt grundlag for et sådant system.

"Ud over, vi har opdaget et væld af eksotiske asymmetriske tilstande i triade- og tetradsystemer. Det er muligt at skifte sømløst mellem sådanne tilstande blot ved at variere den pumpestyrke, der bruges til at danne kondensaterne. Denne egenskab antyder, at sådanne tilstande kunne danne grundlaget for et polaritonisk logiksystem med flere værdier, som kunne muliggøre udviklingen af ​​polaritoniske enheder, der spreder betydeligt mindre strøm end traditionelle metoder og, potentielt, arbejde i størrelsesordener hurtigere, " siger professor Berloff.


Varme artikler