טיפות אור קוונטיות חושפות עולמות חדשים של מורכבות מאקרוסקופית

מדענים קידמו את התחום על ידי ייצוב קוטבי אקציטון בסריגים פוטוניים מוליכים למחצה, תוך השגת נוזלים קוונטיים ארוכים וניתנים להגדרה אופטית המתאימים להדמיות מערכת מורכבות.

חוקרים מ-CNR Nanotec בלצ'ה והפקולטה לפיזיקה באוניברסיטת ורשה השתמשו בדור חדש של רשתות פוטוניות מוליכים למחצה כדי להתאים אופטית קומפלקסים של טיפות קוונטיות של אור שנקשרו יחד למצבים קוהרנטיים מקרוסקופיים. המחקר עומד בבסיס שיטה חדשה לדמות ולחקור אינטראקציות בין אטומים מלאכותיים בצורה מאוד ניתנת להגדרה מחדש, באמצעות אופטיקה. התוצאות פורסמו בכתב העת היוקרתי פיזיקת הטבע.

טכנולוגיות סימולציה קוונטית

מערכות חומר מעובה וטכנולוגיות פוטוניות משמשות באופן קבוע על ידי חוקרים ליצירת פלטפורמות בקנה מידה מיקרו שיכול לדמות את הדינמיקה המורכבת של חלקיקים קוונטיים רבים המקיימים אינטראקציה בסביבה נגישה יותר. כמה דוגמאות כוללות הרכבים אטומיים קרים במיוחד בסריגים אופטיים, מערכים מוליכים-על וגבישים פוטוניים ומובילי גל. בשנת 2006 הופיעה פלטפורמה חדשה עם הדגמה של נוזלים קוונטיים קוהרנטיים מבחינה מקרוסקופית של אקציטון-קוטביים כדי לחקור תופעות קוונטיות של גופים רבים באמצעות טכניקות אופטיות.

אקציטון-פולריטונים ונוזלים קוונטיים

כאשר חלק מוליך למחצה ממוקם בין שתי מראות – מיקרו-תהודה אופטי – העירורים האלקטרוניים בפנים יכולים להיות מושפעים מאוד מפוטונים הכלואים בין המראות. החלקיקים הקוונטים הבוזוניים החדשים שנוצרו, הידועים כקוטבי אקציטון (או בקיצור פולריטונים), יכולים בנסיבות הנכונות לעבור מעבר פאזה לעיבוי Bose-Einstein שאינו בשיווי משקל וליצור נוזל קוונטי מקרוסקופי או טיפת אור. לנוזלים קוונטיים של פולריטונים תכונות בולטות רבות, אחת מהן היא שהם ניתנים להגדרה אופטית וקריאים, המאפשרים מדידות קלות של דינמיקת הפולאריטון. זה מה שעושה אותם כל כך מועילים לדמות פיזיקה של הרבה גופים.

אתגרי יציבות ושאיבה

יש לשאוב באופן רציף את עיבוי ה-Polariton באמצעות לייזרים חיצוניים כדי למלא חלקיקים, אחרת העיבוי מתפוגג בתוך פיקו-שניות. עם זאת, ככל שאתה שואב את הקונדנסט קשה יותר כך הוא הופך לאנרגטי יותר בגלל כוחות דוחה בין חלקיקים, מה שמוביל לבריחה של חלקיקים מהקונדנסט ולאחר מכן דעיכה של מתאמים מרחביים. זוהי בעיה מהותית עבור סימולטורים פולאריטון הניתנים לתכנות אופטית. מדענים היו צריכים למצוא דרך להפוך את הקונדנסט ליציב יותר ולאורך חיים ארוך, תוך שאיבה אופטית.

התקדמות ביציבות פולאריטון

מדענים מ-CNR Nanotec בלצ'ה והפקולטה לפיזיקה באוניברסיטת ורשה, השיגו מטרה זו באמצעות דור חדש של רשתות פוטוניים מוליכים למחצה. במאמרם שכותרתו "מולקולות נוזל קוונטי ניתנות להגדרה מחדש של מצבים קשורים ברצף", שפורסם ב פיזיקת הטבע, הם השתמשו בתכונות תת-גל של הרשת הפוטונית כדי להחדיר לקוטביות תכונות חדשות. ראשית, ניתן היה להניע את הפולריטונים להתעבות למצב חיים ארוך במיוחד המכונה מצב קשור ברצף (BIC). הדבר המרתק ב-BICs הוא שהם לרוב לא קריניים עקב הגנה שנכפתה על ידי סימטריה מהרצף החיצוני של מצבים פוטוניים. שנית, הפולריטונים השיגו מסה אפקטיבית שלילית עקב יחס הפיזור שהגיע מהסורג. משמעות הדבר היא שהפולריטונים הנשאבים לא יכלו לברוח כל כך בקלות דרך ערוצי ריקבון רגילים. כעת, החוקרים היו ברשותם נוזלי פולאריטון שהיו גם ארוכים במיוחד וגם כלואים בבטחה תוך שימוש בטכניקות אופטיות בלבד.

יחד, מנגנונים אלה אפשרו לאנטוניו ג'יאנפרייט ודניאלה סנוויטו ב-CNR Nanotec בלצ'ה לשאוב אופטית טיפות פולאריטון מרובות שיכולות לקיים אינטראקציה ולהכלאה לתוך קומפלקסים מקרוסקופיים. הם יכלו להתאים ולהגדיר באופן הפיך סידורים ושרשראות מולקולריות באמצעות הצורה החדשה הזו של אטומים מלאכותיים: קונדנסטים של קוטבי BIC בעלי מסה שלילית. תכונת ה-BIC סיפקה לפולריטונים אורך חיים ארוך בהרבה ואילו תכונת המסה השלילית גרמה להם להילכד אופטית. הממצאים נתמכו על ידי תיאוריית BIC Dirac-polariton שפותחה בין Helgi Sigurdsson (אוניברסיטת ורשה), Hai Chau Nguyen (University of Siegen, גרמניה) וה-Hai Son Nguyen (Univ Lyon, צרפת).

היתרון האולטימטיבי של הפלטפורמה הוא שניתן לתכנת את המתחמים הקוונטים המלאכותיים באופן אופטי, אך הם שומרים על משך חיים גבוה מאוד בגלל ההגנה שלהם מהרצף. זה יכול להוביל למיזם חדש של נוזלים קוונטיים בקנה מידה גדול הניתנים לתכנות אופטית, המוגדרים על ידי סולמות קוהרנטיות חסרי תקדים ויציבות עבור סימולציה מובנית של לייזר לא ליניארי ופולאריטון של מערכות מורכבות.

"יש עדיין כמה דרכים מעניינות לחקור במערכת ה-Dirac הפולאריטונית המלאכותית הזו. כדוגמה, מנגנון הצימוד בין טיפות פולאריטון לאורך ובמאונך לכיוון הסורג שונה מאוד. לאורך מוליך הגל, פולריטונים הם למעשה חלקיקי מסה שלילית הקשורים בחוזקה למקום המשאבה שלהם. בניצב למוביל הגל הם נעים כחלקיקי מסה חיובית העוברים הובלה בליסטית. התערובת של שני המנגנונים הללו פותחת חלון חדש להסתכלות על התנהגויות מתעוררות של סינכרון ויצירת דפוסים בנוזלים קוונטיים מובניים של פולאריטון" מסכם הלגי יוזסון מהפקולטה לפיזיקה, אוניברסיטת ורשה.

צוות מדענים בינלאומי ביצע מחקר שנתמך על ידי מענק המרכז הלאומי למדע (2022/45/P/ST3/00467) במימון משותף על ידי תוכנית המסגרת של האיחוד האירופי למחקר וחדשנות Horizon 2020 במסגרת הסכם המענק מארי Sklodowska-Curie (לא 945339).