Uutta kvanttitoiminnallisuutta kvanttimateriaaleihin

Ricen yliopiston professori Qimiao Si on kiinnostunut kvanttilomittumisen ymmärtämisestä ja soveltamisesta makroskooppisiin järjestelmiin, joissa on valtava määrä hiukkasia.

Äskettäin julkaistussa artikkelissa Si kuvasi menetelmän, joka voisi johtaa paitsi kvanttimateriaalien kvanttilomittumisen parempaan ymmärtämiseen myös kvanttilomittumisen helpompaan käyttöön makroskooppisissa järjestelmissä. Hänen teoriansa mukaan tämä voidaan tehdä kytkemällä kvanttimateriaaleja kvanttivaloon.

”Tässä teoriassa sijoittamalla ainetta pieneen peilimäiseen onteloon ja puskemalla sitä kohti kvanttikriittistä pistettä voimme sitten tuoda fotoneja ja indusoida kvanttilomittumisen fotoni-aine-hybridiin”, sanoi Si.

Näiden ontelofotoni-aine-hybridien luominen on pitkään ollut haaste. Teoreettinen työ osoittaa, että hybridisoituakseen valon ja aineen välillä olisi oltava erittäin voimakkaita vuorovaikutuksia, joita olisi vaikea suunnitella. Tämä uusi teoria kuitenkin ehdottaa, että tätä hybridi-lomittumistilan kynnystä voitaisiin alentaa tuomalla materiaali lähelle kvanttikriittistä pistettään.

Tämän uuden teorian puitteissa tutkijat voisivat vahvistaa valon ja aineen lomittumista ei-lämpömenetelmillä luottaen sen sijaan aineen pakotettuun läheisyyteen kvanttikriittiseen pisteeseen.

Mitä lähemmäksi materiaali pääsee kvanttikriittistä pistettään, sitä vahvemmin kvanttilomittumisen kynnys laskee. Jos valoa tuodaan peilionteloon materiaalin ollessa lähellä kvanttikriittistä pistettään, niiden lomittumisen pitäisi olla huomattavasti helpompaa.

”Kun valo ja aine lomittuvat toisiinsa, niiden yksittäiset ominaisuudet heijastavat toisiaan”, sanoo Shouvik Sur, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja. ”Jos materiaali saavuttaa kvanttikriittisen pisteen valoon lomittuessaan ja siirtyy toiseen vaiheeseen, valokin siirtyy.”

Kokeelliset fyysikot voisivat siksi käyttää tätä menetelmää paitsi valon ja aineen lomittumisen aiheuttamiseen, myös lomittuneiden hiukkasten tutkimiseen eri vaiheissa käyttämällä olemassa olevia menetelmiä sekä valolle että materiaalille. Se tarjoaa myös tutkijoille tavan käyttää kvanttilomittumista seuraavan sukupolven kvanttiteknologioissa.

Viime vuonna Sin ryhmä havaitsi, että kvanttilomittumista esiintyy ja sitä voimistetaan kvanttikriittisissä materiaaleissa, jotka tunnetaan outoina metalleina. Tämä kvanttilomittuminen voisi olla tärkeä resurssi kvanttiteknologioille – jos tiedemiehet pystyisivät selvittämään, miten se voidaan erottaa.

Tämä uusi teoria mahdollistaisi kvanttilomittumisen erottamisen kvanttivalon avulla: Kun fotonit ja aine ovat lomittuneet toisiinsa, valo voidaan erottaa ontelosta. Tällainen järjestelmä voisi mahdollistaa seuraavan sukupolven teknologioiden, kuten kvanttianturoinnin, kehittämisen.

”Viime kädessä tämä paljastaa polun, jolla kvanttivaloa voidaan käyttää aineen kvanttilomittumisen selvittämiseen”, Si sanoi. ”Tämä voisi luoda pohjan kvanttilomittumisen resurssien hyödyntämiselle ja uusien toimintojen toteuttamiselle kvanttimateriaaleista.”

Aiheesta aiemmin:

Uusi tapa hallita kvanttihiukkasia kiinteissä aineissa