Le décalage quantique se manifeste dans la lumière et la matière couplées

Le décalage quantique se manifeste dans la lumière et la matière couplées

Une équipe dirigée par des scientifiques de l’Université Rice a utilisé une combinaison unique de techniques pour observer, pour la première fois, un phénomène de matière condensée sur lequel d’autres ont seulement spéculé. La recherche pourrait aider au développement d’ordinateurs quantiques.

Les chercheurs, menés par le physicien du riz Junichiro Kono et l’étudiant diplômé Xinwei Li, ont observé et mesuré ce que l’on appelle un changement de Bloch-Siegert dans la lumière et la matière fortement couplées.

Les résultats de la combinaison complexe de modélisation et d’expérimentation font l’objet d’un article Nature Photonics . La technique pourrait conduire à une meilleure compréhension des prédictions théoriques dans les transitions de phase quantique parce que les paramètres expérimentaux utilisés dans les expériences Rice sont très ajustables, selon Kono. En fin de compte, at-il dit, cela pourrait aider au développement de bits quantiques robustes pour l’informatique avancée.

Le changement de Bloch-Siegert, une théorie née dans les années 1940, est une interaction quantique dans laquelle les champs contrarotatifs sont capables d’interagir. Mais de telles interactions ont été difficiles à détecter.

La théorie suggère à Kono et Li qu’il pourrait être possible de détecter un tel déplacement lorsqu’un champ lumineux tournant dans une direction se couple fortement avec un champ d’électrons lié à la matière tournant dans la direction opposée. Ces interactions se sont avérées difficiles à réaliser sans les outils uniques assemblés par l’équipe dirigée par Rice.

“La lumière et la matière ne doivent pas résonner l’une avec l’autre quand elles tournent dans des directions opposées”, a déclaré Kono. “Cependant, dans notre cas, nous avons prouvé qu’ils peuvent encore fortement coupler, ou interagir, même s’ils ne résonnent pas les uns avec les autres.”

Kono et ses collègues ont créé le décalage de fréquence de résonance dans un système électronique à deux niveaux induit par un couplage avec un champ électromagnétique dans une cavité même lorsque les électrons et le champ tournent dans des directions opposées – un effet vraiment surprenant et la matière est mélangée à un degré extrême.

Dans ce cas, les niveaux sont ceux des électrons bidimensionnels dans l’arséniure de gallium solide dans un fort champ magnétique perpendiculaire. Ils s’hybrident avec le champ électromagnétique “vide” dans la cavité pour former des quasiparticules appelées polaritons. On s’attendait à ce que cette hybridation sous vide conduise à un décalage de fréquence finie, un décalage de Bloch-Siegert sous vide, dans les spectres optiques pour la lumière à polarisation circulaire tournant en sens inverse avec les électrons. L’équipe de Rice peut maintenant le mesurer.

“En physique de la matière condensée, nous recherchons souvent de nouveaux états fondamentaux (états d’énergie minimale). À cette fin, le couplage de matière légère est généralement considéré comme un ennemi parce que les lecteurs de lumière importent à un état excité (énergie plus élevée) “, a déclaré Kono. “Nous avons ici un système unique qui est prévu pour entrer dans un nouvel état fondamental en raison d’un fort couplage de la lumière. Notre technique nous aidera à savoir quand la force du couplage de la lumière dépasse un certain seuil. ”

La recherche s’appuie sur un puissant couplage champ-vide dans une cavité de haute qualité que le laboratoire a créée et publiée en 2016. Les résultats à l’époque ne faisaient qu’indiquer la présence d’un décalage de Bloch-Siegert. “Expérimentalement, nous venons de démontrer le nouveau régime”, a déclaré Li. “Mais ici, nous avons une compréhension très profonde de la physique impliquée.”

Le physicien Motoaki Bamba de l’Université d’Osaka, Katsumasa Yoshioka de l’Université nationale de Yokohama et un ancien chercheur invité de Rice, ont fourni un dispositif pour produire de la lumière polarisée circulairement dans la gamme térahertz du spectre électromagnétique.

Le laboratoire a utilisé la lumière pour sonder le déplacement d’un gaz d’électrons bidimensionnel de très haute qualité fourni par le physicien de l’Université Purdue Michael Manfra et placé dans un puits quantique d’arséniure de gallium (pour contenir les particules) sous l’influence d’un fort champ magnétique et basse température. Un spectroscope terahertz a mesuré l’activité dans le système.

“La lumière polarisée linéairement signifie un champ électrique à courant alternatif qui oscille toujours dans une direction”, a déclaré Kono. «Dans une lumière polarisée circulairement, le champ électrique tourne.» Cela a permis aux chercheurs de distinguer les électrons tournant à gauche et à droite de leur matière condensée liée au vide dans un champ magnétique, et de mesurer le décalage.

“Dans ce travail, à la fois théoriquement et expérimentalement, nous avons démontré que même si l’électron tourne de cette façon et que la lumière tourne (l’autre), ils interagissent encore fortement les uns avec les autres, ce qui conduit à un changement de fréquence fini. Bloch-Siegert shift “, a déclaré Kono.

L’observation du décalage est une indication directe que le couplage ultra-fort de la lumière a invalidé l’approximation de l’onde tournante, a-t-il dit. “Cette approximation est derrière presque tous les phénomènes d’interaction lumière-matière, y compris les lasers, la résonance magnétique nucléaire et l’informatique quantique”, a déclaré Kono. “Dans toute interaction lumière-matière résonante, les gens sont satisfaits de cette approximation, car le couplage est généralement faible. Mais si le couplage entre la lumière et la matière est fort, cela ne fonctionne pas. Cela montre clairement que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort. ”

Co-auteurs de l’article sont chercheur postdoctoral de riz Weilu Gao et étudiant diplômé Minhan Lou de riz, riz ancien élève Qi Zhang du Laboratoire national Argonne et étudiant diplômé Saeed Fallahi et chercheur invité Geoff Gardner de Purdue. Kono est professeur d’ingénierie électrique et informatique, de physique et d’astronomie, de science des matériaux et de nanotechnologie. Manfra est la chaire Bill et Dee O’Brian, professeur de physique et d’astronomie à Purdue. Bamba est professeur agrégé à Osaka. Yoshioka est un assistant d’enseignement à Yokohama.

La National Science Foundation, l’Army Research Office, le Département de l’énergie des sciences énergétiques fondamentales, le programme PRESTO de l’Agence japonaise des sciences et de la technologie et le programme ImPACT du Conseil des sciences, de la technologie et de l’innovation du Japon ont soutenu la recherche.

Lisez le document en accès libre sur http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0153-0

Ce communiqué de presse peut être consulté en ligne à http://news.rice.edu/2018/04/16/quantum-shift-shows-itself-in-coupled-light-and-matter/

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Matériaux connexes:

Laboratoire Kono: http://kono.rice.edu

Motoaki Bamba: http://empty.matrix.jp

Groupe Manfra: http://manfragroup.org

Katsumasa Yoshioka: http://katsu-yoshioka.main.jp

Rice Département de génie électrique et informatique: https://eceweb.rice.edu

Rice Département de physique et d’astronomie: http://www.physics.rice.edu

Département du riz de la Science des matériaux et NanoEngineering: https://msne.rice.edu

Vidéo:

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CAPTION: Un électron (sphère bleue) se déplace sur une orbite circulaire dans un champ magnétique continu (B_dc). Lorsqu’une onde lumineuse entrante (E_ac) interagit avec elle, il y a une composante dans l’onde lumineuse dont le champ électrique tourne dans le même sens que le mouvement électronique (flèche rouge sur le côté gauche) et interagit ainsi de manière résonnante avec celle-ci. est, l’électron gagne rapidement de l’énergie. L’autre composante du champ électrique tourne dans la direction opposée à l’électron (flèche rouge sur le côté droit), dont l’effet est généralement négligeable. Cependant, lorsque l’onde électronique et l’onde lumineuse se mélangent à un degré extrême, l’effet d’interaction peut se manifester sous la forme d’un décalage de Bloch-Siegert. (Crédit: Xinwei Li / Kono Lab à l’Université Rice)

Situé sur un campus boisé de 300 acres à Houston, l’Université Rice est régulièrement classée parmi les 20 meilleures universités du pays par US News & World Report. Rice a des écoles d’architecture, d’affaires, d’éducation permanente, d’ingénierie, de sciences humaines, de musique, de sciences naturelles et de sciences sociales hautement respectées et abrite le Baker Institute for Public Policy. Avec 3 970 étudiants de premier cycle et 2 934 étudiants des cycles supérieurs, le ratio d’étudiants de premier cycle par professeur est légèrement inférieur à 6 pour 1. Son réseau de collèges résidentiels établit des liens étroits et des amitiés durables, une des raisons pour lesquelles Rice est classée n ° 1 pour la qualité de vie et pour beaucoup d’interactions entre la course et la classe et n ° 2 pour les étudiants les plus heureux. Le riz est également considéré comme la meilleure valeur parmi les universités privées par Personal Finance de Kiplinger. Pour lire «Ce qu’ils disent à propos de Rice», allez à http://tinyurl.com/RiceUniversityoverview.

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