"Представьте, что вы стоите в комнате, окруженной зеркалами", - сказал Фуян Тай, выпускник аспирантуры Райс по прикладной физике и первый автор исследования. "Если вы посветите внутрь фонариком, свет будет отскакивать взад и вперед, бесконечно отражаясь. Это похоже на то, как работает оптический резонатор - специально разработанная структура, которая задерживает свет между отражающими поверхностями, позволяя ему отражаться определенным образом".

Эти паттерны с дискретными частотами называются резонаторными модами, и они могут быть использованы для усиления взаимодействия света и материи, что делает их потенциально полезными при квантовой обработке информации, разработке высокоточных лазеров и датчиков, а также при создании более совершенных фотонных схем и волоконно-оптических сетей. Оптические резонаторы могут быть сложны в изготовлении, поэтому наиболее широко используемые из них имеют более простые, одномерные структуры.

Тэй вместе с выпускником докторантуры Райс Али Моджибпуром и другими членами команды построили сложный трехмерный оптический резонатор и использовали его для изучения того, как несколько режимов резонатора взаимодействуют с тонким слоем свободно движущихся электронов, подвергнутых воздействию статического магнитного поля. Ключевым вопросом, руководившим их исследованием, было то, что происходит, когда несколько резонаторных мод взаимодействуют с электронами одновременно.

"Хорошо известно, что электроны сильно взаимодействуют друг с другом, а фотоны - нет", - сказал Дзюнъитиро Коно, профессор инженерии Карла Ф. Хассельмана, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии и автор-корреспондент исследования. "Эта полость ограничивает свет, что сильно усиливает электромагнитные поля и приводит к сильной связи между светом и материей, создавая состояния квантовой суперпозиции - так называемые поляритоны".

Поляритоны, также известные как гибридные состояния света и материи, представляют собой способ контролировать и манипулировать светом в очень малых масштабах, что могло бы обеспечить более быстрые и энергоэффективные квантовые вычисления и коммуникационные технологии. Поляритоны также могут вести себя коллективно, порождая состояния квантовой запутанности, которые могут быть использованы для новых типов квантовых схем и датчиков.

Если взаимодействие, связывающее фотоны и электроны в поляритоны, чрезвычайно интенсивно - до такой степени, что обмен энергией между светом и веществом происходит настолько быстро, что он сопротивляется рассеянию, - вступает в силу новый режим, известный как сверхпрочная связь.

"Сверхпрочная связь описывает необычный способ взаимодействия между светом и материей, при котором они глубоко гибридизуются", - сказал Тэй, который в настоящее время является постдокторским исследователем в Колумбийском университете.

Исследователи использовали терагерцовое излучение, чтобы наблюдать, как моды резонатора и электроны взаимодействуют внутри трехмерного оптического резонатора, решая экспериментальные задачи, такие как необходимость в ультрахолодных температурах и сильных магнитных полях.

Они обнаружили не только то, что различные режимы резонатора взаимодействуют с движущимися электронами в режиме сверхпрочной связи, но и то, что это мультимодальное взаимодействие света и вещества зависит от поляризации входящего света, которая запускает одну из двух форм взаимодействия.

"В зависимости от поляризации света резонаторные моды либо остаются независимыми, либо смешиваются вместе, образуя совершенно новые гибридные моды", - сказал Тэй. "Это говорит о том, что мы можем создавать материалы, в которых различные режимы резонатора "разговаривают" друг с другом через электроны в магнитном поле, создавая новые коррелированные состояния".

Если изначально исследователи были в основном сосредоточены на том, как трехмерный фотонно-кристаллический резонатор служит для усиления связи света с веществом, то осознание того, что установка может быть использована для индуцирования опосредованной веществом связи фотон-фотонный сигнал, стало "важным моментом" в исследовании, сказал Андрей Байдин, доцент кафедры электротехники. и компьютерной инженерии в Rice и соавтор исследования.

"Это опосредованное материей взаимодействие фотон-фотон может привести к появлению новых протоколов и алгоритмов в квантовых вычислениях и квантовых коммуникациях", - сказал Коно.

Алессандро Алабастри, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, совместно со Стивеном Сандерсом, постдокторским исследователем в его лаборатории, разработали моделирование структуры полости, воспроизводящее свойства материала и динамику электромагнитного поля, наблюдаемые в ходе эксперимента.

Алабастри похвалил Тэя за его интерес к пониманию имитационной стороны работы в дополнение к экспериментальной стороне.

"Он экспериментатор, но что мне показалось действительно интересным, так это то, что он действительно хотел изучить и вычислительную часть", - сказал Алабастри.

Предлагая новый подход к проектированию взаимодействий света и материи и сверхпрочных фотон-фотонных связей, результаты исследований прокладывают путь к разработке сверхэффективных квантовых процессоров, высокоскоростной передачи данных и датчиков следующего поколения.

"Квантовые явления или состояния, как известно, хрупки", - сказал Коно, который является директором Института Смолли-Керла Райса. "Квантовая электродинамика резонатора - это развивающаяся область исследований в области квантовых технологий, где установка резонатора обеспечивает контролируемую среду для защиты и использования квантовых состояний. В Rice мы очень активно занимаемся исследованиями в области квантовой науки - мы решаем некоторые из самых сложных задач в этой области".

Работа была поддержана Исследовательским управлением армии США (W911NF2110157), Фондом Гордона и Бетти Мур (11520), фондом У.М. Кека (995764) и фондом Роберта А. Уэлча (C-1509). Ответственность за содержание настоящего документа лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.