Quantum shift viser sig i koblet lys og stof

Et team ledet af forskere fra Rice University brugte en unik kombination af teknikker til at observere, for første gang, et kondenseret fænomen, som andre kun har spekuleret i. Forskningen kan hjælpe med udviklingen af ​​kvantecomputere.

Forskerne, ledet af risfysiker Junichiro Kono og kandidatstuderende Xinwei Li, observerede og målte det, der er kendt som et Bloch-Siegert-skift i stærkt koblet lys og stof.

Resultaterne af den komplicerede kombination af modellering og eksperimenter er genstand for et papir i Natur fotonik . Teknikken kan føre til en større forståelse af teoretiske forudsigelser i kvantefaseovergange, fordi de eksperimentelle parametre, der bruges i risforsøgene, er meget justerbare, ifølge Kono. Ultimativt, han sagde, det kan hjælpe med udviklingen af ​​robuste kvantebits til avanceret computing.

Bloch-Siegert-skiftet, en teori født i 1940'erne, er en kvanteinteraktion, hvor modroterende felter er i stand til at interagere. Men sådanne interaktioner har været svære at opdage.

Teorien foreslog Kono og Li, at det måske var muligt at opdage et sådant skift, når et lysfelt, der roterer i en retning, stærkt kobler til et stofbundet elektronfelt, der roterer i den modsatte retning. Disse interaktioner har vist sig vanskelige at skabe uden de unikke værktøjer, der er samlet af det risledede team.

"Lys og materie bør ikke give genlyd med hinanden, når de roterer i modsatte retninger, "Sagde Kono." Dog, i vores tilfælde, vi beviste, at de stadig kan parre stærkt, eller interagere, selvom de ikke giver genlyd med hinanden. "

Kono og hans kolleger skabte resonansfrekvensskiftet i et to -niveau elektronsystem fremkaldt ved kobling med et elektromagnetisk felt inde i et hulrum, selv når elektronerne og feltet roterer i modsatte retninger - en virkelig overraskende effekt, der kun forekommer i et regime, hvor lys og stof blandes i ekstrem grad.

I dette tilfælde, niveauerne er niveauerne for todimensionale elektroner i fast galliumarsenid i et stærkt vinkelret magnetfelt. De hybridiserer med det "vakuum" elektromagnetiske felt i hulrummet for at danne kvasipartikler kendt som polaritoner. Denne hybridisering af vakuum-stof havde forventet at føre til et begrænset frekvensskift, et vakuum Bloch-Siegert skift, i optiske spektre til cirkulært polariseret lys, der kontra roterer med elektronerne. Rice -teamet kan nu måle det.

"I kondenseret fysik, vi leder ofte efter nye grundtilstande (tilstander med lavest energi). Til det formål, lys-stofkobling betragtes normalt som en fjende, fordi lys driver materie til en ophidset (højere energi) tilstand, "Kono sagde." Her har vi et unikt system, der forudsiges at gå i en ny grundtilstand på grund af stærk lysmateriale-kobling. Vores teknik hjælper os med at vide, hvornår styrken af ​​lysstofkobling overstiger en vis tærskel. "

Forskningen bygger på en stærk vakuumfeltmateriale-kobling i et hulrum af høj kvalitet, som laboratoriet først oprettede og rapporterede i 2016. Resultaterne på det tidspunkt antydede kun tilstedeværelsen af ​​et Bloch-Siegert-skift. "Eksperimentelt, vi demonstrerede lige det nye regime, "Sagde Li." Men her, vi har en meget dyb forståelse for den involverede fysik. "

Kono og Li krediterede fysikeren Motoaki Bamba fra Osaka University for at give et teoretisk grundlag for opdagelsen og Katsumasa Yoshioka fra Yokohama National University og en tidligere gæsteforsker ved Rice for at levere en enhed til at producere cirkulært polariseret lys i terahertz -området af det elektromagnetiske spektrum.

Laboratoriet brugte lyset til at undersøge skiftet i en ultrahøj kvalitet, todimensionel elektrongas leveret af Purdue University-fysikeren Michael Manfra og sat i en kvantboring af galliumarsenid (for at indeholde partiklerne) under påvirkning af et stærkt magnetfelt og lav temperatur. Et terahertz -spektroskop målte aktivitet i systemet.

"Lineært polariseret lys betyder et vekselstrøm elektrisk felt, der altid svinger i en retning, "Sagde Kono." I cirkulært polariseret lys, det elektriske felt roterer. "Det gjorde det muligt for forskerne at skelne mellem venstre- og højre-roterende elektroner i deres vakuumbundne kondenserede stof i et magnetfelt, og fra det, måle skiftet.

"I dette arbejde, både teoretisk og eksperimentelt, vi demonstrerede, at selvom elektronen roterer på denne måde, og lyset roterer (den anden) vej, de interagerer stadig stærkt med hinanden, hvilket fører til et begrænset frekvensskift kendt som Bloch-Siegert-skiftet, "Sagde Kono.

At observere skiftet er en direkte indikation på, at ultra-stærk lysstofkobling ugyldiggjorde den roterende bølges tilnærmelse, han sagde. "Denne tilnærmelse ligger bag næsten alt lys-stof-interaktionsfænomen, herunder lasere, nuklear magnetisk resonans og kvanteberegning, "Sagde Kono." I enhver resonant lys-stof-interaktion, folk er tilfredse med denne tilnærmelse, fordi koblingen normalt er svag. Men hvis koblingen mellem lys og stof er stærk, det virker ikke. Det er et klart bevis på, at vi er i det ultra-stærke koblingsregime. "