Undersøgelse viser det ikke-eksponentielle henfald af et kæmpe kunstigt atom

Til dato, forskning i kvanteoptik har primært undersøgt forholdet mellem lys og stof ved hjælp af små atomer, der interagerer med elektromagnetiske felter, der har væsentligt større bølgelængder. I en ukonventionel ny undersøgelse, et team ved Chalmers University of Technology i Sverige og Max Planck Institute for the Science of Light satte sig for at undersøge interaktionen mellem et stort atom og akustiske felter med bølgelængder flere størrelsesordener under atomdimensionerne.

I en tidligere undersøgelse, nogle af forskerne fra samme gruppe viste, at kunstige atomer baseret på superledende qubits kan kobles piezoelektrisk til overfladeakustiske bølger. Når man sammenlignede lyd-stof-interaktionen, de observerede med den mere konventionelle lys-stof-interaktion, de fandt ud af, at de to faktisk er meget ens.

Inspireret af disse observationer, de satte sig for at undersøge fysikken i lys-stof-interaktionen i akustiske systemer. Imidlertid, de fandt ud af, at dette kun kunne gøres inden for parameterregimer, der er udfordrende, hvis ikke umuligt, at opnå uden at bruge lyd.

"Vi indså, at lydens langsomme udbredelseshastighed ville lade os konstruere kunstige atomer med interne tidsforsinkelser, eller 'kæmpe' atomer, som vi kan lide at kalde dem, "Gustav Andersson, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores mål var at finde ud af, hvordan dette regime var anderledes end det mere standardiserede tilfælde af små atomer, hvordan absorption og emission af fononer fra et kæmpe atom ville se ud. "

For at nå det 'kæmpe atomregime', de ønskede at undersøge, forskerne udnyttede et centralt træk ved lydbølger - specifikt deres langsomme formeringshastighed. Faktisk, udbredelseshastigheden for lydbølger er omkring 3000 m/s, hvilket er fem størrelsesordener langsommere end lys.

Andersson og hans kolleger fik det kunstige atom til at interagere med lyd på to separate punkter. For at deres eksperiment kan fungere, imidlertid, afstanden mellem disse to punkter skulle være stor nok til at sikre, at den tid, hvor bølgerne forplantede sig over dem, var længere end tidsskalaen for fotonabsorption og emission.

Den tilgang, forskerne har valgt, kan sammenlignes med at kontrollere et atoms stråling ved at vedhæfte det til en antenne. Da lydbølgernes hastighed er lav, det tager længere tid for deres felt at forplante sig over det kæmpe atom, giver anledning til det, der er kendt som ikke-markovisk dynamik.

"Vi fik det kunstige atom til at interagere med lyd gennem interdigital transducere (IDT'er), en periodisk fingerstruktur, hvis periode matcher bølgelængden af ​​overfladens akustiske bølger, "Andersson forklarede." Vi skabte denne adskillelse ved effektivt at bruge to IDT'er, der er elektrisk forbundet. Vi brugte derefter mikrobølgemålinger ved lav temperatur, standardteknikker til superledende kredsløb, for at studere egenskaberne af det gigantiske atom. "

Eksperimentet udført af Andersson og hans kolleger gav flere interessante observationer relateret til interaktionen mellem lyd og stof. For eksempel, forskerne var i stand til at demonstrere det ikke-eksponentielle henfald og de nye spredningsegenskaber ved gigantiske atomer. Disse nyopdagede funktioner skyldes tidsforsinkelseseffekten (dvs. ikke-markovisk proces) på enkeltatom-niveau.

"Den traditionelle ramme for kvanteoptik er baseret på punktlignende atomer og forsømmer den tid, det tager for lys at passere et enkelt atom, "Lingzhen Guo, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For at forklare observationer indsamlet i vores eksperimenter, imidlertid, vi skal overveje både størrelseseffekten og atomets tidsforsinkelse. Derfor, undersøgelsen af ​​kæmpe atomer repræsenterer et nyt paradigme inden for kvanteoptik. "

Anderssons seneste arbejde, Guo og resten af ​​deres team demonstrerer den ikke-markoviske karakter af et kæmpe atom i frekvensspektret, samtidig med at det afslører sit ikke-eksponentielle henfald over tid. I fremtiden, de vil gerne foretage yderligere undersøgelser, der kan øge relevansen af ​​akustiske systemer i kvanteinformationsbehandling ved at udnytte deres fordele frem for rent elektriske kredsløb.

"På grund af lydens korte bølgelængde, overfladeakustiske bølgeresonatorer kan designes til at understøtte mange flere resonansformer end deres elektromagnetiske modstykker, "Sagde Andersson." Ved at koble disse tilstande sammen med superledende kredsløb, vi håber at skabe komplekse kvantetilstande på en hardware-minimal måde. Det ville være spændende at se, om sådanne systemer kunne bruges til at simulere kvantesystemer i fast tilstand eller visse ordninger til at realisere kvanteberegning. "

© 2019 Science X Network