Новый уровень квантовой оптики: «оптический конвейер» для квазичастиц

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Современная наука не стоит на месте, и одним из самых захватывающих её направлений является исследование экситон-поляритонов — удивительных квазичастиц, которые рождаются из взаимодействия света и материи. Недавнее исследование, опубликованное в Nature Photonics, раскрывает инновационные способы управления этими квазичастицами с помощью оптических решеток и временной модуляции.

«Оптический конвейер», вольная интерпретация
Автор: Designer

Основы и Технологии

Группа учёных из разных стран разработала эксперимент, в котором использовались два лазера для создания уникальной оптической решетки. Эта решетка взаимодействовала с конденсатом поляритонов, создавая своего рода волновой «конвейер». В результате они смогли управлять потенциалом и связью между частицами, что привело к появлению новых, ранее невиданных бандовых структур.

a, Схема возбуждения образца. Угол между лазерами (Δklaser = 0,3-0,7 мкм-1) контролирует периодичность бахромы, а смещение частоты (|Δf| < 7 ГГц) — ее скорость и движение. Лазер нормального падения имеет P1 = 1,2Pth с порогом конденсации Pth 100 мВт. Лазер с угловым смещением имеет Pm = 1-110 мВт. b, Пример томограммы реального пространства (интенсивность нормализована) чуть ниже и чуть выше порога конденсации. Диаграмма красного цвета сверху соответствует интенсивности интерференционной картины лазера. c, Пример полосовой структуры (интенсивность нормирована) при нулевом смещении частоты для различных периодов и глубин решетки. Тонкие белые линии показывают результаты поиска и кластеризации спектральных пиков, как описано в Методах. Черные пунктирные линии соответствуют подогнанным блоховским модам. Ширина энергии основного состояния (в терминах прыжков ближайших соседей J) отмечена зеленым цветом. d, Средний размер первой (∆k0) и второй (∆k1) БЗ как функции ∆klaser (между 7 и 52 образцами). Заштрихованные области соответствуют ожидаемому краю первой БЗ (пурпурно-маджента, ∆k0 ≈ π/a), где a — период бахромы) и границам второй БЗ в расширенной схеме (сине-серый, 2π/a < ∆k1 < 4π/a). Планки ошибок оценены путем усреднения наборов данных с разными Pm.
Автор: del Valle Inclan Redondo, Y., Xu, X., Liew, T.C.H. et al. Non-reciprocal band structures in an exciton-polariton Floquet optical lattice. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01424-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Магия Теории

Квантовая система, подвергающаяся адиабатической модуляции, накапливает особую фазу, называемую фазой Берри. В периодически управляемых системах это явление может приводить к образованию новых топологических структур и защищенных режимов переноса энергии. В сочетании с пространственно периодическим потенциалом, такие системы демонстрируют уникальные транспортные свойства.

a, Пример полосовой структуры движущегося конвейера. Тонкая светло-серая линия — результат поиска и кластеризации спектральных пиков. Пунктирные серые линии — линейные подгонки к этим кластеризованным данным. Энергетический сдвиг на границе BZ ∆E (вставка) извлекается из линейной подгонки. b, Средний (из 50-200 образцов) энергетический сдвиг на границе BZ как функция частоты для различных углов модулирующего лазера. Ошибки (заштрихованные области) оцениваются путем усреднения по наборам данных с различными Pm и по различным полосам в каждой полосовой структуре. c, Экспериментальные полосовые структуры для фиксированного ∆klaser и Pm как функция частоты между лазерами накачки. d, Моделирование излучения в дальнем поле из решений Флоке-Блоха для подогнанного поляритонного гамильтониана для параметров, указанных в c.
Автор: del Valle Inclan Redondo, Y., Xu, X., Liew, T.C.H. et al. Non-reciprocal band structures in an exciton-polariton Floquet optical lattice. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01424-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Эксперимент в Действии

В ходе эксперимента использовался лазер для создания интерференционной картины, которая формировала решетку прямо в реальном пространстве. Как только конденсат поляритонов достигал нужного состояния, из него начинала излучаться энергия. Разные углы между лазерами и мощность их пучков позволяли исследователям управлять решеткой, создавая новые энергетические зоны и квантованные состояния.

a, Средняя подогнанная эффективная потенциальная глубина Veff как функция Pm для различных значений ∆klaser (цветовой ключ). Пунктирные темно-серая и светло-серая линии — квадратный корень и четвертый корень для длиннопериодных и короткопериодных решеток, соответственно. b, Средний подогнанный сдвиг потенциала Vshift в зависимости от Pm для различных значений ∆klaser. Пунктирная темно-серая линия — линейная подгонка для длиннопериодных решеток. c, Средняя ширина полосы пропускания основного состояния как функция Pm для эксперимента (сплошная) и подогнанной теории (пунктирная). d, e, Средняя эффективная потенциальная глубина как функция ∆f, для варьирования Pm и значений ∆klaser 0,32 мкм-1 (d) и 0,67 мкм-1 (e). f, Средняя эффективная потенциальная глубина как функция ∆f, для фиксированного Pm и варьирования ∆klaser. Ошибки (заштрихованные) и средние значения (сплошные линии) получены путем усреднения до пяти различных реализаций с одинаковыми параметрами.
Автор: del Valle Inclan Redondo, Y., Xu, X., Liew, T.C.H. et al. Non-reciprocal band structures in an exciton-polariton Floquet optical lattice. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01424-z CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Результаты и Анализ

Результаты подтвердили образование флуктуационных бандовых структур, связанных с топологической фазой. Измеренные энергии этих структур согласуются с теоретическими предсказаниями, демонстрируя удивительную согласованность между теорией и экспериментом. Это открытие подкрепляет представление о том, что постоянная Планка играет ключевую роль в подобных системах.

Заключение

Исследование открывает новые горизонты в мире квантовой оптики и полупроводниковой физики, показывая, как можно управлять поляритонными конденсатами и создавать топологические решетки. Эти результаты могут привести к созданию новых квантовых устройств и систем обработки информации.

Это исследование представляет собой важный шаг вперёд, открывая новые возможности для изучения и практического применения квантовых эффектов. Управление флуктуационными бандовыми структурами может стать основой для будущих технологий в области квантовых вычислений и оптической электроники.

Что такое экситон-поляритоны и почему их изучение столь важно для современной науки?

Экситон-поляритоны — это квазичастицы, которые возникают при сильном взаимодействии фотонов (частиц света) и экситонов (связанных состояний электрона и дырки) в полупроводниковых микрорезонаторах. Их изучение важно, потому что они позволяют исследовать новые квантовые явления и могут быть использованы для создания высокоэффективных оптических и квантовых устройств. Экситон-поляритоны демонстрируют уникальные свойства, такие как низкая масса и высокая подвижность, что делает их идеальными кандидатами для применения в квантовых вычислениях и оптических коммутационных устройствах.

Как временная модуляция влияет на флуктуационные бандовые структуры поляритонов?

Временная модуляция позволяет управлять взаимодействием между поляритонами, создавая динамическую решетку. Это приводит к изменению глубины потенциала и силы связи между частицами, что в свою очередь формирует новые бандовые структуры. Модуляция во времени создает эффект «конвейера», который перемещает поляритоны через различные энергетические состояния, нарушая временную симметрию и порождая новые, нестандартные бандовые структуры, недоступные в статических системах.

Какую роль играет фаза Берри в формировании топологических структур в этих системах?

Фаза Берри — это геометрическая фаза, накопленная квантовой системой при адиабатическом изменении её параметров. В периодически модулируемых системах, таких как поляритонные конденсаты, накопление фазы Берри может приводить к появлению новых топологических инвариантов. Эти топологические инварианты определяют защищенные транспортные режимы и флуктуационные бандовые структуры, которые обладают уникальными свойствами, такими как устойчивость к локальным возмущениям и дефектам в системе.

В чём заключаются основные преимущества использования интерференционных картин для создания оптических решеток?

Использование интерференционных картин для создания оптических решеток позволяет точно контролировать пространственную периодичность и глубину потенциальных ям, в которых находятся поляритоны. Это обеспечивает высокую точность и гибкость в управлении квантовыми состояниями системы. Кроме того, интерференционные картины позволяют легко изменять параметры решетки, такие как периодичность и глубина, что делает этот метод особенно удобным для экспериментальных исследований и потенциальных практических применений.

Какие перспективы открываются благодаря исследованиям флуктуационных бандовых структур в квантовых вычислениях?

Исследования флуктуационных бандовых структур могут привести к созданию новых квантовых вычислительных устройств, которые используют топологически защищённые состояния. Такие устройства будут обладать высокой устойчивостью к внешним воздействиям и помехам, что существенно повысит их надёжность и эффективность. Временная модуляция и топологическая защита могут быть использованы для разработки новых алгоритмов и схем квантовых вычислений, обеспечивая более быструю и точную обработку информации.

2 комментария

A
Не обижайте память Хокинга.
Автор ничего не понимает в том, о чем пишет. В его статейках слишком много ошибок.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Первый гревел Shulz: изучаем прототип велосипеда The Lightning

Бренд Shulz наконец-то дал возможность всесторонне рассмотреть, что из себя будет представлять первый гревел компании. Выпущенный видеоролик-анонс состоит из двух частей. В первой ведущий канала...

С какой скоростью надо ездить по лужам

В дождливую погоду дороги становятся особенно коварными, а лужи на асфальте — не просто лужи, а настоящие испытания для водителя и его автомобиля. Каждая такая встреча скрывает риски: от...

Почему на современных стиральных машиных нельзя отключить отжим, и как это исправить вручную

Если на моделях стиральных машин 7-10 летней давности управление оборотами отжима (вплоть до 0) было базовой возможностью, то у современной техники подобная функция встречается всё реже. Но для...

Как можно узнать, сколько герц в экране Айфона и на что они влияют

В мире смартфонов происходит настоящая революция, связанная с частотой обновления экранов. Долгое время стандартом считались 60 Гц, но теперь производители, включая Apple, переходят на более...

Как одеваться в жаркую погоду, чтобы было комфортно

Лето — пора яркого солнца и прогулок на свежем воздухе. Но высокая температура может стать настоящим вызовом, если тщательно не продумать образ. Поговорим о том, как правильно одеваться...

Обзор MobaPad M6S: максимально удобная альтернатива Joy-Conn для Nintendo Switch

Над альтернативой для штатных Joy-Conn игровой консоли Nintendo Switch работали сразу несколько производителей, причем относительного успеха добился каждый из них, но по возможностям лучше, чем...