Un estudio introduce polaritones de onda de materia sin pérdidas en un sistema de red óptica

Los polaritones son cuasipartículas que se forman cuando los fotones se acoplan fuertemente con excitaciones en la materia. Estas cuasipartículas, que son mitad luz y mitad materia, sustentan el funcionamiento de una amplia gama de sistemas cuánticos fotónicos emergentes, incluidos dispositivos nanofotónicos basados ​​en semiconductores y sistemas electrodinámicos cuánticos de circuitos.

Investigadores de la Universidad de Stony Brook introdujeron recientemente un nuevo sistema de polaritón en el que la excitación de la materia se reemplaza por un átomo en una red óptica y el fotón por una onda de materia atómica. Este sistema, introducido en un artículo publicado en Naturaleza físicada como resultado polaritones de ondas de materia y podría abrir interesantes posibilidades para el estudio de la materia cuántica polaritónica.

«Hace unos años nos interesó la idea de utilizar átomos ultrafríos para simular el comportamiento dinámico de emisores cuánticos«, dijo a Phys.org el Dr. Dominik Schneble, jefe del equipo de investigación que llevó a cabo el estudio. «Resulta que es posible construir un átomo artificial que emita espontáneamente ondas de materia, de la misma manera que un átomo emite espontáneamente un fotón (como se describe en el llamado modelo de Weisskopf-Wigner)».

Schneble y sus colegas demostraron que usar este átomo artificial en lugar de un «átomo real» para estudiar el comportamiento dinámico de los emisores cuánticos tenía algunas ventajas. En particular, el sistema artificial permitió a los investigadores ajustar libremente parámetros importantes como la energía de excitación del emisor y su acoplamiento de vacío.

El emisor artificial que crearon inicialmente consistía en una trampa microscópica (es decir, un pozo de red óptica), que se llenaba con un solo átomo. El equipo implementó un mecanismo que permitía que un solo átomo cambiara su giro y se liberara espontáneamente en una guía de ondas de materia, en la que estaban incrustadas las propias trampas.

«De manera crucial y en contraste con los emisores cuánticos convencionales, este era el único mecanismo de descomposición permitido y la radiación no podía escapar a ningún otro lugar», explicó Schneble. «En www.nature.com/articles/s41586-018-0348-z»>un artículo que salió en Naturaleza en 2018, observamos que la descomposición en estas condiciones puede tener características bastante exóticas. En particular, cuando definimos la energía de excitación como negativa (puede sonar extraño, pero también puede ser válido para ‘emisores reales’ en un material de banda fotónica), la radiación de onda de materia emitida, que tiene energía negativa, no puede escapar y, en cambio, , flotaba alrededor del emisor como una nube coherente de excitaciones de vacío».

En su nuevo estudio, Schneble y sus colegas aprovecharon el hecho de que los emisores que implementaron (es decir, los pozos) formaban parte de una red periódica que también puede contener muchos átomos. Como resultado, los efectos de transporte e interacción dentro de la red pueden volverse importantes.

«Si por un momento descuidamos las características de emisión, pero solo miramos la red, estos átomos pueden hacer un túnel o saltar de un lugar a otro», dijo Schneble. «Si esto sucede o no, depende de la fuerza del salto en comparación con el costo de energía debido a la repulsión entre dos o más átomos en la misma ubicación de red (esto se conoce como el modelo de Bose-Hubbard)».

El objetivo principal del estudio de los investigadores era determinar qué sucede cuando activan las características de emisión en su sistema de red óptica, especialmente en energía negativa donde la radiación no puede escapar. Curiosamente, encontraron evidencia de que las olas de materia flotante tendían a filtrarse en los pozos vecinos.

En un pozo vecino, un proceso de descomposición inversa (es decir, absorción) puede convertir la onda de materia flotante nuevamente en un átomo atrapado. A través de este proceso, el pozo de la fuente se vacía simultáneamente.

«Esto significa que el átomo atrapado, vestido con la nube de ondas de materia, tiene un mecanismo adicional para saltar entre las ubicaciones de la red», dijo Schneble. «Por otro lado, las ondas de materia en la guía de ondas nunca pueden viajar libremente por sí mismas y, al estar encadenadas a los átomos en la red, todo lo que pueden hacer es saltar».

Como resultado, en este sistema las ondas de materia se vuelven menos móviles o «más pesadas», mientras que el átomo se vuelve más móvil o «más ligero». Las ondas de materia y los átomos en la red forman compuestos. cuasipartículas que llevan aspectos de sus dos constituyentes, denominados «polaritones de ondas de materia».

«Lo que hace que este sistema sea interesante es que los átomos en la red (lo que podría llamarse ‘excitaciones de red vacía’) se repelen entre sí en los sitios», explicó Schneble. «Ahora, si las ondas de materia están unidas a estos átomos, entonces también hay una repulsión efectiva entre las ondas de materia. Traduciendo esto a un sistema de polaritón convencional en el que reemplazas nuestras ondas de materia con fotones y los átomos que rebotan en la red por polaritones de excitón. (u otras excitaciones de la materia), ahora tienes a tu disposición una repulsión efectiva entre fotones».

Por sí solos, se sabe que los fotones no interactúan entre sí. La fuerte interacción de los polaritones revelada por los investigadores es, por tanto, muy interesante cuando se extrapola a un sistema convencional.

«La característica única de nuestra plataforma es que los polaritones de ondas de materia no tienen pérdidas, en contraste con los sistemas de polaritones basados ​​en fotones, cuya vida útil está limitada por el decaimiento radiativo espontáneo en el medio ambiente», dijo Schneble.

Al igual que con sus estudios anteriores centrados en la descomposición espontánea, el reciente trabajo de polaritón de este equipo de investigadores abre nuevas posibilidades para acceder a regímenes de parámetros que hasta ahora eran inaccesibles utilizando sistemas convencionales basados ​​en fotones. En el futuro, podría permitir exploraciones en profundidad de la física del polaritón en nuevos regímenes.

«Nuestra investigación permite estudios de sistemas polaritónicos con la gran flexibilidad y el control de una simulación cuántica analógica», añadió Schneble. «Debido a la ausencia de pérdidas radiativas incontroladas, en general es bastante interesante explorar sistemas radiativos estrechamente acoplados con ondas de materia, y las características del polaritón jugarán un papel importante en estos estudios. Está claro que las propias plataformas polaritónicas tienen una gran relevancia para las aplicaciones QIST. , y nuestro trabajo también debería ser de interés en este contexto».

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