在光和物質耦合中觀測量子位移

一個簡化的示意圖顯示了萊斯大學實驗檢測強耦合的光與物質中Bloch-Siegert漂移的基本思想。在該圖中，與軌道運動的電子相反方向旋轉的光場仍然與空腔中的電子相互作用，在示意圖中，所述空腔是兩個鏡子之間的空間。共振對反向旋轉元件的影響確定了漂移。圖片描述：Xinwei Li

由萊斯大學科學家們領導的一個研究小組使用一種獨特的組合技術首次觀測到其他人僅推測但尚未觀測到的凝聚態物理學現象。這項研究可能有助於量子計算機的發展。

由萊斯大學的物理學家Junichiro Kono和研究生Xinwei Li領導的研究人員們觀察並測量了強耦合光與物質中所謂的Bloch-Siegert漂移。

建模和實驗的複雜組合的結果是發表在Nature Photonics的一篇論文的主題。根據Kono的說法，這項技術可以讓人們更好地理解量子相變中的理論預測，因為萊斯實驗中使用的實驗參數是高度可調的。最終，他表示，這可能有助於開發高級計算的強大量子位。

Bloch-Siegert漂移是一種誕生於20世紀40年代的理論，是一種反向旋轉場能夠相互作用的量子相互作用。但是這種相互作用很難被探測。

該理論暗示Kono和Li，當一個方向旋轉的光場與相反方向旋轉的物質束縛電子場強耦合時，可能檢測到這種偏移。如果沒有由萊斯領導的團隊組裝的獨特工具，這些相互作用就很難被證明。

「光和物質在相反方向旋轉時不應該相互共振，」 Kono說。「然而，在我們的案例中，我們證明他們仍然可以強烈地耦合或相互作用，即使他們彼此沒有共振。」

Kono和他的同事們創造了一個兩級電子系統中的共振頻移，該電子系統通過與腔內的電磁場耦合而產生，即使電子和磁場在相反方向旋轉 —— 這種真正令人驚訝的效果只在光和物質混合在一起到極端的程度才發生。

在這種情況下，這些電平是在強的垂直磁場中的固體砷化鎵中的二維電子的電平。它們與腔中的「真空」電磁場雜交形成稱為『極化子』的准粒子。預計這種真空物質雜交會導致在與電子反向旋轉的圓偏振光的光譜中出現有限的頻移（真空Bloch-Siegert漂移）。萊斯團隊現在可以測量它。

「在凝聚態物理學中，我們經常尋找新的基態（最低能態）。為了達到這個目的，光與物質耦合通常被認為是一個敵人，因為光碟機動物質會到激發態（高能態），」 Kono說道。「在這裡，我們有一個獨特的系統，由於強光耦合，預計會進入新的基態，我們的技術將幫助我們了解光與物質耦合強度何時超過某個閾值。」

該研究建立在一個高品質因子腔內的強大真空物質場耦合上，這個高品質因子腔是實驗室在2016年首次創建並報道的。當時的結果僅暗示存在Bloch-Siegert漂移。「實驗上，我們只是展示了新機制，」 Li說。「但在這裡，我們對所涉及的物理有著非常深刻的理解。」

Kono和Li認為，大阪大學的物理學家Motoaki Bamba提供了發現的理論基礎，橫濱國立大學的Katsumasa Yoshioka和前萊斯大學的訪問學者提供了一種在電磁波譜的太赫茲範圍內產生圓偏振光的裝置。

該實驗室利用光探測了由普渡大學物理學家Michael Manfra提供的超高質量、二維電子氣的漂移，並在強磁場和低溫環境下將其置於砷化鎵量子阱中（以包含顆粒）。利用太赫茲分光鏡測量其在系統中的活動。

「線偏振光意味著一個始終在一個方向上振蕩的交流電場，」Kono說。「在圓偏振光下，電場正在旋轉。」這使得研究人員能夠區分磁場中真空束縛凝聚態物質中的左旋和右旋電子，並由此測量這種漂移。

「在這項工作中，無論在理論上還是實驗上，我們都證明了，即使電子以這種方式旋轉並且光也在在旋轉（另一種方式），它們仍然可以強烈地相互作用，從而這導致一個有限的頻移，這被稱為Bloch-Siegert漂移。」Kono說。

觀察這種漂移是一個直接證明，超強光物質耦合使旋轉波近似無效，他說。Kono表示：「這種近似是背後幾乎所有的光物質相互作用現象，包括激光，核磁共振和量子計算。「在任何共振的光與物質的相互作用中，人們對這種近似都滿意，因為耦合通常很弱，但如果光與物質之間的耦合很強，它就不起作用。這就清楚地證明，我們處於超強耦合機制。」

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