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    El cambio cuántico se muestra en luz y materia acopladas

    Un esquema simplificado muestra la idea básica detrás de un experimento de la Universidad de Rice para detectar un cambio Bloch-Siegert en luz y materia fuertemente acopladas. En esta ilustración, un campo de luz que gira en la dirección opuesta a un electrón en órbita todavía interactúa con el electrón en una cavidad, en este caso el espacio vacío entre dos espejos. La influencia de la resonancia en el elemento contrarrotante define el desplazamiento. Crédito:Xinwei Li / Kono Lab en Rice University

    Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Rice utilizó una combinación única de técnicas para observar, por primera vez, un fenómeno de materia condensada sobre el que otros solo han especulado. La investigación podría ayudar en el desarrollo de computadoras cuánticas.

    Los investigadores, dirigido por el físico de Rice Junichiro Kono y el estudiante de posgrado Xinwei Li, observó y midió lo que se conoce como un cambio de Bloch-Siegert en luz y materia fuertemente acopladas.

    Los resultados de la complicada combinación de modelado y experimentación son el tema de un artículo en Fotónica de la naturaleza . La técnica podría conducir a una mayor comprensión de las predicciones teóricas en las transiciones de fase cuántica porque los parámetros experimentales utilizados en los experimentos de Rice son altamente ajustables. según Kono. Por último, él dijo, puede ayudar en el desarrollo de bits cuánticos robustos para computación avanzada.

    El turno de Bloch-Siegert, una teoría nacida en la década de 1940, es una interacción cuántica en la que los campos contrarrotantes pueden interactuar. Pero tales interacciones han sido difíciles de detectar.

    La teoría sugirió a Kono y Li que podría ser posible detectar tal cambio cuando un campo de luz que gira en una dirección se acopla fuertemente con un campo de electrones ligado a la materia que gira en la dirección opuesta. Estas interacciones han resultado difíciles de crear sin las herramientas únicas ensambladas por el equipo dirigido por Rice.

    Investigadores de la Universidad de Rice, incluido el estudiante de posgrado Xinwei Li, han observado y medido un cambio de Bloch-Siegert en luz fuertemente acoplada y materia en el vacío. El proyecto podría ayudar en el desarrollo de computadoras cuánticas. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University

    "La luz y la materia no deben resonar entre sí cuando giran en direcciones opuestas, "Dijo Kono." Sin embargo, en nuestro caso, demostramos que todavía pueden acoplarse fuertemente, o interactuar, aunque no resuenen entre sí ".

    Kono y sus colegas crearon el cambio de frecuencia de resonancia en un sistema de electrones de dos niveles inducido por el acoplamiento con un campo electromagnético dentro de una cavidad, incluso cuando los electrones y el campo giran en direcciones opuestas, un efecto verdaderamente sorprendente que ocurre solo en un régimen donde la luz y la materia se mezclan en un grado extremo.

    En este caso, los niveles son los de electrones bidimensionales en arseniuro de galio sólido en un fuerte campo magnético perpendicular. Se hibridan con el campo electromagnético de "vacío" en la cavidad para formar cuasipartículas conocidas como polaritones. Se esperaba que esta hibridación de materia de vacío condujera a un cambio de frecuencia finito, un turno de Bloch-Siegert al vacío, en espectros ópticos para luz circularmente polarizada que rota en sentido contrario con los electrones. El equipo de Rice ahora puede medirlo.

    "En la física de la materia condensada, a menudo buscamos nuevos estados fundamentales (estados de menor energía). Para ese propósito, El acoplamiento luz-materia generalmente se considera un enemigo porque la luz impulsa la materia a un estado excitado (de mayor energía), "Dijo Kono." Aquí tenemos un sistema único que se predice que entrará en un nuevo estado fundamental debido al fuerte acoplamiento luz-materia. Nuestra técnica nos ayudará a saber cuándo la fuerza del acoplamiento luz-materia excede un cierto umbral ".

    La investigación se basa en un fuerte acoplamiento campo-materia de vacío en una cavidad de factor de alta calidad que el laboratorio creó e informó por primera vez en 2016. Los resultados en ese momento solo insinuaban la presencia de un cambio Bloch-Siegert. "Experimentalmente, acabamos de demostrar el nuevo régimen, "Dijo Li." Pero aquí, tenemos un conocimiento muy profundo de la física involucrada ".

    Kono y Li le dieron crédito al físico Motoaki Bamba de la Universidad de Osaka por proporcionar una base teórica para el descubrimiento y a Katsumasa Yoshioka de la Universidad Nacional de Yokohama y un ex académico visitante en Rice por proporcionar un dispositivo para producir luz circularmente polarizada en el rango de terahercios del espectro electromagnético.

    El laboratorio usó la luz para probar el cambio en una calidad ultra alta, gas de electrones bidimensional suministrado por el físico Michael Manfra de la Universidad de Purdue y colocado en un pozo cuántico de arseniuro de galio (para contener las partículas) bajo la influencia de un fuerte campo magnético y baja temperatura. Un espectroscopio de terahercios midió la actividad en el sistema.

    "Luz linealmente polarizada significa un campo eléctrico de corriente alterna que siempre oscila en una dirección, "Dijo Kono." En luz circularmente polarizada, el campo eléctrico está rotando ". Eso permitió a los investigadores distinguir entre los electrones que giran hacia la izquierda y hacia la derecha en su materia condensada unida al vacío en un campo magnético, y de eso, medir el turno.

    "En este trabajo, tanto teórica como experimentalmente, Demostramos que aunque el electrón gira de esta manera y la luz gira (hacia la otra), todavía interactúan fuertemente entre sí, que conduce a un cambio de frecuencia finito conocido como cambio de Bloch-Siegert, "Dijo Kono.

    La observación del cambio es una indicación directa de que el acoplamiento ultrafuerte de luz y materia invalida la aproximación de la onda giratoria. él dijo. "Esa aproximación está detrás de casi todos los fenómenos de interacción luz-materia, incluyendo láseres, resonancia magnética nuclear y computación cuántica, "Dijo Kono." En cualquier interacción resonante luz-materia, la gente está satisfecha con esta aproximación, porque el acoplamiento suele ser débil. Pero si el acoplamiento entre la luz y la materia es fuerte, no funciona. Esa es una clara evidencia de que estamos en el régimen de acoplamiento ultrafuerte ".

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