Un team guidato da scienziati della Rice University ha utilizzato una combinazione unica di tecniche per osservare, per la prima volta, un fenomeno di materia condensata su cui altri hanno solo speculato. La ricerca potrebbe aiutare nello sviluppo di computer quantistici.

I ricercatori, guidato dal fisico di Rice Junichiro Kono e dallo studente laureato Xinwei Li, osservato e misurato quello che è noto come uno spostamento di Bloch-Siegert in luce e materia fortemente accoppiate.

I risultati della complicata combinazione di modellazione e sperimentazione sono oggetto di un documento in Fotonica della natura . La tecnica potrebbe portare a una maggiore comprensione delle previsioni teoriche nelle transizioni di fase quantistiche perché i parametri sperimentali utilizzati negli esperimenti di Rice sono altamente regolabili, secondo Kono. In definitiva, Egli ha detto, può aiutare nello sviluppo di robusti bit quantistici per l'informatica avanzata.

Il turno di Bloch-Siegert, una teoria nata negli anni '40, è un'interazione quantistica in cui i campi controrotanti sono in grado di interagire. Ma tali interazioni sono state difficili da rilevare.

La teoria suggeriva a Kono e Li che sarebbe stato possibile rilevare un tale spostamento quando un campo luminoso che ruota in una direzione si accoppia fortemente con un campo di elettroni legato alla materia che ruota nella direzione opposta. Queste interazioni si sono rivelate difficili da creare senza gli strumenti unici assemblati dal team guidato da Rice.

"La luce e la materia non dovrebbero risuonare l'una con l'altra quando ruotano in direzioni opposte, " ha detto Kono. "Tuttavia, nel nostro caso, abbiamo dimostrato che possono ancora accoppiarsi fortemente, o interagire, anche se non risuonano tra loro."

Kono e i suoi colleghi hanno creato lo spostamento della frequenza di risonanza in un sistema di elettroni a due livelli indotto dall'accoppiamento con un campo elettromagnetico all'interno di una cavità anche quando gli elettroni e il campo ruotano in direzioni opposte - un effetto davvero sorprendente che si verifica solo in un regime in cui la luce e la materia sono mescolate insieme in un grado estremo.

In questo caso, i livelli sono quelli degli elettroni bidimensionali in arseniuro di gallio solido in un forte campo magnetico perpendicolare. Si ibridano con il campo elettromagnetico "vuoto" nella cavità per formare quasiparticelle note come polaritoni. Questa ibridazione della materia sotto vuoto avrebbe dovuto portare a uno spostamento di frequenza finito, un turno di vuoto Bloch-Siegert, in spettri ottici per luce polarizzata circolarmente controrotante con gli elettroni. Il team di Rice ora può misurarlo.

"Nella fisica della materia condensata, spesso cerchiamo nuovi stati fondamentali (stati a più bassa energia). Per quello scopo, l'accoppiamento luce-materia è generalmente considerato un nemico perché la luce guida la materia a uno stato eccitato (di maggiore energia), " ha detto Kono. "Qui abbiamo un sistema unico che si prevede entrerà in un nuovo stato fondamentale a causa del forte accoppiamento luce-materia. La nostra tecnica ci aiuterà a sapere quando la forza dell'accoppiamento luce-materia supera una certa soglia".

La ricerca si basa su un forte accoppiamento campo-materia sotto vuoto in una cavità con fattore di alta qualità che il laboratorio ha creato e riportato per la prima volta nel 2016. I risultati all'epoca suggerivano solo la presenza di uno spostamento di Bloch-Siegert. "Sperimentalmente, abbiamo appena dimostrato il nuovo regime, " disse Li. "Ma qui, abbiamo una comprensione molto profonda della fisica coinvolta."

Kono e Li hanno accreditato il fisico Motoaki Bamba dell'Università di Osaka per aver fornito una base teorica per la scoperta e Katsumasa Yoshioka della Yokohama National University e un ex studioso in visita alla Rice per aver fornito un dispositivo per produrre luce polarizzata circolarmente nella gamma di terahertz dello spettro elettromagnetico.

Il laboratorio ha utilizzato la luce per sondare il cambiamento in una qualità ultraelevata, gas di elettroni bidimensionale fornito dal fisico della Purdue University Michael Manfra e collocato in un pozzo quantico di arseniuro di gallio (per contenere le particelle) sotto l'influenza di un forte campo magnetico e a bassa temperatura. Uno spettroscopio terahertz ha misurato l'attività nel sistema.

"Per luce polarizzata linearmente si intende un campo elettrico in corrente alternata che oscilla sempre in una direzione, " disse Kono. "In luce polarizzata circolarmente, il campo elettrico sta ruotando." Ciò ha permesso ai ricercatori di distinguere tra elettroni rotanti a sinistra e a destra nella loro materia condensata legata al vuoto in un campo magnetico, e da ciò, misurare lo spostamento.

"In questo lavoro, sia teoricamente che sperimentalmente, abbiamo dimostrato che anche se l'elettrone ruota in questo modo e la luce ruota (nell'altro), interagiscono ancora fortemente tra loro, che porta a uno spostamento di frequenza finito noto come spostamento di Bloch-Siegert, " disse Kono.

L'osservazione dello spostamento è un'indicazione diretta che l'accoppiamento luce-materia ultra forte ha invalidato l'approssimazione dell'onda rotante, Egli ha detto. "Questa approssimazione è alla base di quasi tutti i fenomeni di interazione luce-materia, compresi i laser, risonanza magnetica nucleare e calcolo quantistico, " disse Kono. "In ogni interazione risonante luce-materia, le persone sono soddisfatte di questa approssimazione, perché l'accoppiamento è solitamente debole. Ma se l'accoppiamento tra luce e materia è forte, non funziona. Questa è una chiara prova che siamo in un regime di accoppiamento ultra forte".