Enkelt nanoskala hybridsystem til undersøgelse af vakuumfluktuationsfeltet

Når du tænker på det tomme rum, forestiller du dig næsten helt sikkert et vakuum, hvor intet interessant nogensinde kan ske. Men hvis vi zoomer ind på små længdeskalaer, hvor kvanteeffekter begynder at blive vigtige, viser det sig, at det, du troede var tomt, faktisk hele tiden er fyldt med en sydende masse af elektromagnetisk aktivitet, efterhånden som virtuelle fotoner flimrer ind og ud af eksistensen .

Dette uventede fænomen er kendt som vakuumfluktuationsfeltet. Men fordi disse udsving i lysenergi er så små og flygtige i tid, er det vanskeligt at finde måder, hvorpå materien kan interagere med dem, især inden for en enkelt integreret enhed.

I en undersøgelse med titlen "Elektrisk detektion af ultrastærk kohærent interaktion mellem terahertz-felter og elektroner ved hjælp af kvantepunktkontakter" offentliggjort i denne måned i Nano Letters , lykkedes det for forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo at fremstille et enkelt hybridsystem i nanoskala til at gøre netop dette. I deres design forbinder en kvantepunktkontakt en enkelt splitringresonator på chip med et todimensionelt elektronsystem.

Resonatoren med splitring, som er en firkantet metallisk sløjfe i nanostørrelse med et lille mellemrum, reagerer stærkest, når den exciteres med specifikke resonansfrekvenser af terahertz elektromagnetisk stråling. Konventionelle optiske målinger krævede tidligere arrays med mange resonatorer, men teamet er nu i stand til at detektere ultrastærk kobling ved hjælp af en enkelt terahertz splitring-resonator forbundet til 2D-elektroner.

For at gøre kvanteinformationsbehandling mere gennemførlig i fremtiden er det vigtigt at kunne bestemme kvantetilstanden ved hjælp af en enkel, enkelt resonatorstruktur. Dette mål er også gjort mere opnåeligt ved hjælp af elektrisk, snarere end optisk, sensing, som udføres ved hjælp af den elektriske kvantepunktkontakt.

"Stof, der kan interagere med vakuumsvingninger i det elektromagnetiske felt, siges at være i det ultrastærke koblingsregime," siger førsteforfatter til undersøgelsen Kazuyuki Kuroyama. Eksperimentet viste, at strømsignalet i kvantepunktkontakten kunne bruges til at detektere den ultrastærke kobling af den enkelte splitring-resonator med 2D-elektrongassen.

Derudover kunne elektrisk strøm måles i kvantepunktkontakten, selv uden ekstern stråling. Modulationer i strømmen gjorde det muligt for forskerne at konkludere, at interaktioner mellem 2D-elektrongassen og resonatorens vakuumfeltsvingninger stadig finder sted i fravær af terahertz-stråling.

"Vores resultater kan give mulighed for meget følsomme kvantesensorer, der fungerer baseret på koblingen mellem vakuumsvingninger og en integreret hybrid kvanteenhed," siger Kazuhiko Hirakawa, seniorforfatter.

Ud over at lære mere om de grundlæggende naturlove i meget lille skala, kan resultaterne af denne undersøgelse bruges til at hjælpe med at udvikle fremtidige kvantecomputere, der kan gøre brug af de sædvanlige fænomener til at behandle eller overføre data.

Flere oplysninger: Kazuyuki Kuroyama et al., Elektrisk detektion af ultrastærk kohærent interaktion mellem Terahertz-felter og elektroner ved hjælp af kvantepunktkontakter, nanobogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02272

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af University of Tokyo