Undersøgelse introducerer tabsfri stofbølgepolaritoner i et optisk gittersystem

Polaritoner er kvasipartikler, der dannes, når fotoner kobler stærkt med excitationer af stof. Disse kvasipartikler, som er halvt lys og halvt stof, understøtter funktionen af ​​en bred vifte af nye fotoniske kvantesystemer, herunder halvlederbaserede nanofotoniske enheder og kredsløbs kvanteelektrodynamiske systemer.

Forskere ved Stony Brook University har for nylig introduceret et nyt polaritonsystem, hvor stofexcitationen erstattes af et atom i et optisk gitter og fotonen af ​​en atomisk stofbølge. Dette system, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Physics , resulterer i stofbølgepolaritoner og kunne åbne interessante muligheder for undersøgelse af polaritonisk kvantestof.

"For et par år siden blev vi interesserede i ideen om at bruge ultrakolde atomer til at simulere den dynamiske adfærd af kvanteemittere," fortalte Dr. Dominik Schneble, leder af det team af forskere, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Det viser sig, at det er muligt at bygge et kunstigt atom, der spontant udsender stofbølger, stort set på samme måde som et atom spontant udsender en foton (som beskrevet af den såkaldte Weisskopf-Wigner-model)."

Schneble og hans kolleger viste, at det havde nogle fordele at bruge et sådant kunstigt atom i stedet for et 'rigtigt atom' til at studere den dynamiske adfærd af kvanteemittere. Mest bemærkelsesværdigt tillod det kunstige system forskerne frit at indstille vigtige parametre, såsom emitterens excitationsenergi og dens kobling til vakuumet.

Den kunstige emitter, de oprindeligt skabte, bestod af en mikroskopisk fælde (dvs. en brønd i det optiske gitter), som var fyldt med et enkelt atom. Holdet implementerede en mekanisme, der gjorde det muligt for det enkelte atom at vende sit spin og spontant blive frigivet til en stofbølgeleder, hvori selve fælderne blev indlejret.

"Afgørende og i modsætning til konventionelle kvanteemittere var dette den eneste tilladte henfaldsmekanisme, og strålingen kunne ikke undslippe andre steder," forklarede Schneble. "I et papir, der udkom i Nature i 2018 observerede vi, at forfald under disse forhold kan have ret eksotiske træk. Især når vi indstiller excitationsenergien til at være negativ (det lyder måske mærkeligt, men det kan også holde til 'rigtige emittere' i et fotonisk båndgab-materiale), kunne den udsendte stof-bølgestråling, der har negativ energi, ikke undslippe og i stedet svævede rundt om emitteren som en sammenhængende sky af vakuumeksitationer."

I deres nye undersøgelse udnyttede Schneble og hans kolleger det faktum, at de emittere, de havde implementeret (dvs. brøndene), faktisk var en del af et periodisk gitter, der også kan indeholde mange atomer. Som et resultat kan transport- og interaktionseffekter inde i gitteret blive vigtige.

"Hvis vi et øjeblik forsømmer emissionsfunktionerne, men bare ser på gitteret, kan disse atomer af sig selv tunnelere eller hoppe fra sted til sted," sagde Schneble. "Om dette sker eller ej afhænger af styrken af ​​hoppet sammenlignet med energiomkostningerne på grund af frastødningen mellem to eller flere atomer på det samme gittersted (dette er kendt som Bose-Hubbard-modellen)."

Hovedformålet med forskernes undersøgelse var at bestemme, hvad der sker, når de tænder for emissionsfunktionerne på deres optiske gittersystem, især ved en negativ energi, hvor stråling ikke kan undslippe. Interessant nok fandt de bevis for, at svævende stofbølger havde en tendens til at lække ind i nabobrønde.

I en nabobrønd kan en omvendt henfaldsproces (dvs. absorption) omdanne den svævende stofbølge tilbage til et fanget atom. Gennem denne proces tømmes udspringsbrønden samtidigt ud.

"Dette betyder effektivt, at det fangede atom, klædt i stofbølgeskyen, har en ekstra mekanisme til at hoppe mellem gittersteder," sagde Schneble. "På den anden side kan stofbølgerne i bølgelederen aldrig bevæge sig frit af sig selv, og da de er lænket til atomerne i gitteret, kan de kun hoppe med."

Som et resultat bliver stofbølgerne i dette system mindre mobile eller "tyngre", mens atomet bliver mere mobilt eller "lettere". Materiebølgerne og atomerne i gitteret danner sammensatte kvasipartikler, der bærer aspekter af begge dets bestanddele, kaldet "stofbølgepolaritoner."

"Det, der gør dette system interessant, er, at atomerne i gitteret (som man selv kan kalde 'excitationer af det tomme gitter') frastøder hinanden på stederne," forklarede Schneble. "Nu, hvis stofbølger er bundet til de atomer, så er der også en effektiv frastødning mellem stofbølgerne. Oversætter dette tilbage til et konventionelt polaritonsystem, hvor man erstatter vores stofbølger med fotoner og de hoppende atomer i gitteret med exciton polaritoner (eller andre stofexcitationer), nu har du til din rådighed en effektiv frastødning mellem fotoner."

I sig selv er fotoner kendt for ikke at interagere med hinanden. Den stærke polariton-interaktion, som forskerne har afsløret, er derfor meget interessant, når den ekstrapoleres til et konventionelt system.

"Det unikke ved vores platform er, at stofbølgepolaritonerne er tabsfrie, i modsætning til fotonbaserede polaritonsystemer, hvis levetid er begrænset af spontant strålingsnedbrydning i miljøet," sagde Schneble.

I lighed med deres tidligere undersøgelser, der fokuserer på spontant henfald, åbner det seneste polaritonarbejde fra dette hold af forskere nye muligheder for at få adgang til parameterregimer, der hidtil har været utilgængelige ved brug af konventionelle fotonbaserede systemer. I fremtiden kunne det således muliggøre dybdegående udforskninger af polaritonfysik i nye regimer.

"Vores forskning giver mulighed for studier af polaritoniske systemer med den høje fleksibilitet og kontrol af en analog kvantesimulering," tilføjede Schneble. "På grund af fraværet af ukontrollerede strålingstab er det generelt ret interessant at udforske stærkt koblede strålingssystemer med stofbølger, og polaritonegenskaber vil spille en vigtig rolle i sådanne undersøgelser. Selvfølgelig har polaritoniske platforme i sig selv høj relevans for applikationer i QIST , og vores arbejde burde også være af interesse i denne sammenhæng." + Udforsk yderligere

Opdagelsen af ​​stofbølgepolaritoner kaster nyt lys over fotoniske kvanteteknologier

© 2022 Science X Network