光和物質(zhì)在量子耦合中合并

在光和物質(zhì)相交的地方，世界會發(fā)光。根據(jù)萊斯大學的科學家的說法，光與物質(zhì)相互作用的強烈程度使它們成為一體，它們照亮了一個新的物理世界。

水稻物理學家正在關(guān)注創(chuàng)造一種新的凝聚態(tài)物質(zhì)的方法，其中物質(zhì)中的所有電子通過用光和磁場操縱它們而起到一體作用。通過為太赫茲輻射定制的，精細調(diào)諧的腔體所產(chǎn)生的效果顯示出迄今為止觀察到的最強的光 - 物質(zhì)耦合現(xiàn)象之一。

Rice物理學家Junichiro Kono及其同事的工作在Nature Physics中有所描述。Kono說，通過向研究腔量子電動力學和凝聚態(tài)物理學的人們揭示新現(xiàn)象，它可以幫助推進量子計算機和通信等技術(shù)。

一般意義上的凝聚態(tài)物質(zhì)是固體或液體，但凝聚態(tài)物理學家研究的形式更為深奧，如玻色 - 愛因斯坦凝聚物。萊斯團隊是最早在1995年制造玻色 - 愛因斯坦凝聚體的團隊之一，當時它促使原子在超冷溫度下形成氣體，其中所有原子都失去了它們的個體特征并且表現(xiàn)為單個單元。

Kono團隊正朝著類似的方向努力，但電子與光線強烈耦合或“穿著”。Qio是Kono小組的前研究生，也是該論文的第一作者，他設(shè)計并構(gòu)建了一個極高質(zhì)量的腔體，其中含有超薄的砷化鎵層，這是他們用來研究超熒光的材料。通過用磁場調(diào)諧材料以與腔中的某種狀態(tài)的光共振，它們促使形成以集體方式起作用的極化子。

“這是對二維電子材料的非線性光學研究，”他的博士生說。關(guān)于工作的論文。“當您使用光來探測材料的電子結(jié)構(gòu)時，您通常會尋找光吸收或反射或散射來查看材料中發(fā)生的情況。那光只是一個弱探頭，這個過程叫做線性光學。

“非線性光學意味著光能對材料起作用，”他說。“光不再是一個小擾動; 它與材料結(jié)合在一起。當你改變耦合強度時，材料會發(fā)生變化。我們正在做的是非線性光學的極端情況，其中光和物質(zhì)耦合得如此強烈，以至于我們不再有光和物質(zhì)了。我們之間有一些東西，稱為極化子。“

研究人員采用了一種稱為真空Rabi分裂的參數(shù)來測量光物質(zhì)耦合的強度。“在以前關(guān)于腔內(nèi)光物耦合的99%以上的研究中，這個值是所用光的光子能量的一小部分，”科諾集團的合著者和研究生李新偉說。“在我們的研究中，真空Rabi分裂的光子能量高達10%。這使我們處于所謂的超強耦合狀態(tài)。

“這是一個重要的制度，因為最終，如果真空Rabi分裂變得大于光子能量，物質(zhì)就會進入一個新的基態(tài)。這意味著我們可以誘導相變，這是凝聚態(tài)物理中的一個重要元素，“他說。

相變是物質(zhì)狀態(tài)之間的過渡，如冰到水到蒸汽。Kono團隊正在尋找的特定過渡是超極化相變，其中極化子進入具有宏觀相干性的有序狀態(tài)。

科諾表示，太赫茲光線投入腔體的數(shù)量非常微弱。“我們所依賴的是真空波動。在傳統(tǒng)意義上，真空是一個空的空間。什么也沒有。但在量子意義上，真空充滿了波動的光子，具有所謂的零點能量。這些真空光子實際上就是我們用來共振激發(fā)腔內(nèi)電子的東西。

“這個一般主題是所謂的腔量子電動力學(QED)，”Kono說。“在空腔QED中，空腔增強了光，因此空腔中的物質(zhì)與真空場共振。固態(tài)腔QED的獨特之處在于，光通常與大量電子相互作用，這些電子的行為就像一個巨大的原子。

他說，固態(tài)腔QED也是涉及量子信息處理的應(yīng)用的關(guān)鍵，如量子計算機。“光物質(zhì)界面很重要，因為這就是所謂的光物質(zhì)糾纏發(fā)生的地方。這樣，物質(zhì)的量子信息可以轉(zhuǎn)移到光，光可以在某處發(fā)送。

“為了提高腔QED在量子信息中的實用性，光物耦合越強越好，它必須使用可擴展的固態(tài)系統(tǒng)而不是原子或分子系統(tǒng)，”他說。“這就是我們在這里取得的成就。”