Donde la luz y la materia se cruzan, el mundo se ilumina. Donde la luz y la materia interactúan tan fuertemente que se convierten en una, iluminan un mundo de nueva física, según los científicos de la Universidad de Rice.
Los físicos de Rice se están acercando para crear un nuevo estado de materia condensada en el que todos los electrones de un material actúen como uno al manipularlos con luz y un campo magnético. El efecto fue posible gracias a un diseño personalizado, finamente sintonizadoLa cavidad para la radiación de terahercios muestra uno de los fenómenos de acoplamiento de materia luminosa más fuertes jamás observados.
El trabajo del físico de Rice Junichiro Kono y sus colegas se describe en Física de la naturaleza . Podría ayudar a las tecnologías avanzadas como las computadoras cuánticas y las comunicaciones al revelar nuevos fenómenos a quienes estudian la electrodinámica cuántica de cavidades y la física de la materia condensada, dijo Kono.
La materia condensada en el sentido general es algo sólido o líquido, pero los físicos de la materia condensada estudian formas que son mucho más esotéricas, como los condensados de Bose-Einstein. Un equipo de Rice fue uno de los primeros en fabricar un condensado de Bose-Einstein en 1995 cuandoprovocó que los átomos formaran un gas a temperaturas extremadamente frías en las que todos los átomos pierden sus identidades individuales y se comportan como una sola unidad.
El equipo de Kono está trabajando para lograr algo similar, pero con electrones que están fuertemente acoplados o "vestidos" con la luz. Qi Zhang, un ex estudiante de posgrado en el grupo de Kono y autor principal del artículo, diseñó y construyó un modelo extremadamente altode alta calidad para contener una capa ultrafina de arseniuro de galio, un material que han utilizado para estudiar la superfluorescencia. Al ajustar el material con un campo magnético para resonar con un cierto estado de luz en la cavidad, provocaron la formación de polaritones que actúande manera colectiva.
"Este es un estudio óptico no lineal de un material electrónico bidimensional", dijo Zhang, quien basó su tesis de doctorado en el trabajo. "Cuando usas la luz para sondear la estructura electrónica de un material, generalmente estás buscandopara absorción de luz o reflexión o dispersión para ver lo que sucede en el material. Esa luz es solo una sonda débil y el proceso se llama óptica lineal.
"La óptica no lineal significa que la luz hace algo al material", dijo. "La luz ya no es una pequeña perturbación; se acopla fuertemente con el material. A medida que cambia la fuerza de acoplamiento, las cosas cambian en el material. Lo que somoses el caso extremo de la óptica no lineal, donde la luz y la materia están tan fuertemente unidas que ya no tenemos luz ni materia. Tenemos algo intermedio, llamado polaritón ".
Los investigadores emplearon un parámetro conocido como división Rabi de vacío para medir la fuerza del acoplamiento de materia ligera. "En más del 99 por ciento de los estudios previos de acoplamiento de materia ligera en cavidades, este valor es una fracción insignificantemente pequeña del fotón"La energía de la luz utilizada", dijo Xinwei Li, coautora y estudiante graduada en el grupo de Kono. "En nuestro estudio, la división de Rabi al vacío es tan grande como el 10 por ciento de la energía del fotón. Eso nos coloca en el llamado ultrafuerterégimen de acoplamiento.
"Este es un régimen importante porque, eventualmente, si la división Rabi de vacío se vuelve más grande que la energía del fotón, la materia pasa a un nuevo estado fundamental. Eso significa que podemos inducir una transición de fase, que es un elemento importante en la materia condensadafísica ", dijo.
Las transiciones de fase son transiciones entre estados de la materia, como hielo a agua y vapor. La transición específica que el equipo de Kono está buscando es la transición de fase superradiante en la que los polaritones entran en un estado ordenado con coherencia macroscópica.
Kono dijo que la cantidad de luz de terahercios puesta en la cavidad es muy débil. "De lo que dependemos es de la fluctuación del vacío. El vacío, en un sentido clásico, es un espacio vacío. No hay nada. Pero en un sentido cuántico, un vacíoestá lleno de fotones fluctuantes, con la llamada energía de punto cero. Estos fotones de vacío son en realidad lo que estamos utilizando para excitar resonantemente los electrones en nuestra cavidad.
"Este tema general es lo que se conoce como cavidad de electrodinámica cuántica QED", dijo Kono. "En la cavidad QED, la cavidad mejora la luz para que la materia en la cavidad interactúe de manera resonante con el campo de vacío. Lo que es único acerca del sólido-La cavidad QED del estado es que la luz generalmente interactúa con este gran número de electrones, que se comportan como un solo átomo gigantesco ".
Dijo que la cavidad de estado sólido QED también es clave para aplicaciones que involucran el procesamiento de información cuántica, como las computadoras cuánticas. "La interfaz de la materia de luz es importante porque ahí es donde ocurre el llamado enredo de la materia de luz. De esa manera, la información cuánticade materia puede transferirse a la luz y la luz puede enviarse a alguna parte.
"Para mejorar la utilidad de la cavidad QED en la información cuántica, cuanto más fuerte sea el acoplamiento de la materia luminosa, mejor, y tiene que usar un sistema de estado sólido escalable en lugar de sistemas atómicos o moleculares", dijo. "Eso eslo que hemos logrado aquí "
John Reno de Sandia National Laboratories y John Watson y Michael Manfra de Purdue University, todos coautores del artículo, sintetizaron los materiales de alta calidad de arseniuro de galio utilizados en el estudio a través de la epitaxia de haz molecular y todos los coautores del artículo. Weil Pan de Sandia National Laboratoriesy el estudiante graduado de Rice, Minhan Lou, quien participó en la preparación de muestras y el transporte y las mediciones de terahercios, también son coautores.
Zhang es ahora el becario postdoctoral Alexei Abrikosov en el Laboratorio Nacional de Argonne. Kono es profesor de Rice de ingeniería eléctrica e informática, de física y astronomía y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Li recibió el "Premio a la Mejor Investigación de Primer Año" de Rice'sDepartamento de Ingeniería Eléctrica e Informática por su trabajo en el proyecto.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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