Forskare vid Rice University har utvecklat en avancerad tredimensionell fotonisk kristallkavitet som kan fånga och kontrollera ljus på ett tidigare oöverträffat sätt. Denna innovation möjliggör kraftfulla interaktioner mellan ljus och materia, vilket kan bana väg för framsteg inom kvantdatorer, kvantkommunikation och andra framväxande kvantteknologier.
Låsning av Ljus med 3D Fotoniska Kristaller
Genom att använda en specialdesignad struktur, känd som en 3D fotonisk kristallkavitet, har forskarna skapat en miljö där ljus kan fångas och manipuleras effektivt. Denna struktur fungerar som ett optiskt hålrum som fångar ljus mellan reflekterande ytor, vilket tillåter det att studsa runt i specifika mönster. Dessa mönster, kända som kavitetstillstånd, har distinkta frekvenser och kan förstärka interaktioner mellan ljus och materia.
Från Enkla Hålrum till Komplexa Ljus-Materia-Interaktioner
Traditionellt har optiska hålrum använt enklare endimensionella designer. I denna studie konstruerade forskarna en mer komplex tredimensionell optisk kavitet för att utforska hur flera kavitetstillstånd interagerar med en tunn skiva av fritt rörliga elektroner placerade i ett konstant magnetfält. Deras centrala fråga var: Vad händer när flera kavitetstillstånd engagerar sig med elektroner samtidigt?
Kvantsuperpositioner Genom Ljusinfångning
Genom att begränsa ljus i denna kavitet förstärks de elektromagnetiska fälten avsevärt, vilket leder till stark koppling mellan ljus och materia och skapar kvantsuperpositionstillstånd, så kallade polaritoner. Polaritoner, även kända som hybrida ljus-materia-tillstånd, erbjuder ett sätt att kontrollera och manipulera ljus på mycket små skalor, vilket kan möjliggöra snabbare och mer energieffektiva kvantdatorer och kommunikationsteknologier.
Inträde i Ultrastrong Coupling-Regimen
Om interaktionen som binder fotoner och elektroner till polaritoner är extremt intensiv – till den punkt där energiutbytet mellan ljus och materia sker så snabbt att det motstår dissipation – träder en ny regim i kraft, känd som ultrastrong coupling. Ultrastrong coupling beskriver ett ovanligt interaktionsläge mellan ljus och materia där de två blir djupt hybridiserade.
Observation av Koppling med Terahertzljus
Forskarna använde terahertzstrålning för att observera hur kavitetstillstånden och elektronerna kopplar samman inuti den tredimensionella optiska kaviteten. De fann att olika kavitetstillstånd interagerar med rörliga elektroner i en ultrastrong coupling-regim och att denna multimodala ljus-materia-koppling är beroende av polarisationen hos det inkommande ljuset, vilket utlöser en av två former av interaktion.
”Aha”-Ögonblicket: Foton-Foton-Koppling
En betydande insikt var att denna uppställning kunde användas för att inducera materia-medierad foton-foton-koppling. Denna materia-medierade foton-foton-koppling kan leda till nya protokoll och algoritmer inom kvantberäkning och kvantkommunikation.
Simulering Möter Experiment
Forskarna utvecklade en simulering av kavitetens struktur som replikerade de materialegenskaper och elektromagnetiska fältdynamik som observerades under experimentet. Denna kombination av experimentella och teoretiska metoder understryker vikten av tvärvetenskapligt samarbete inom kvantforskning.
Banar Vägen för Nästa Generations Kvantteknik
Genom att erbjuda ett nytt sätt att konstruera ljus-materia-interaktioner och ultrastrong foton-foton-kopplingar, banar denna forskning väg för utvecklingen av hyper-effektiva kvantprocessorer, höghastighetsdataöverföring och nästa generations sensorer. Kvantfenomen eller tillstånd är kända för att vara sköra. Kavitet kvantelektrodynamik är ett framväxande forskningsfält för kvantteknologi, där kavitetens miljö ger en kontrollerad miljö för att skydda och utnyttja kvanttillstånd.
Referenser
- Tay, F., Mojibpour, A., Sanders, S., Liang, S., Xu, H., Gardner, G. C., Baydin, A., Manfra, M. J., Alabastri, A., Hagenmüller, D., & Kono, J. (2025). Multimode ultrastrong coupling in three-dimensional photonic-crystal cavities. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-025-58835-x
FAKTA
- Fotonisk Kristallkavitet: En struktur som kan kontrollera ljus genom att skapa ett periodiskt arrangemang av material med olika brytningsindex, vilket resulterar i förbjudna band för vissa ljusfrekvenser.
- Polaritoner: Kvantpartiklar som uppstår genom stark koppling mellan fotoner och excitoner (elektron-hål-par) i ett material, vilket resulterar i hybrida ljus-materia-tillstånd.
- Ultrastrong Coupling: Ett interaktionsregim där kopplingen mellan ljus och materia är så stark att de två systemen blir djupt hybridiserade, vilket leder till nya kvanttillstånd och fenomen.
