Sirutason GHz:n aikakiteitä puolijohteisilla fotonirakenteilla

Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa havainneet aikakiteen mikromittakaavaisessa puolijohdesirussa, joka värähtelee useita miljardeja kertoja sekunnissa ja paljastaa poikkeuksellisen korkean epälineaarisen dynamiikan GHz-alueella.

Science- lehdessä julkaistun kokeen tulokset osoittavat kiinteän yhteyden epälineaarisen eksitoni-polaritonidynamiikan ja koherentin optomekaniikan välille GHz-taajuuksilla, sanovat Paul-Drude-Institute for Solid State Electronics (PDI) -instituutin tutkijat. Berliinissä, Saksassa ja Argentiinassa Centro Atómico Bariloche ja Instituto Balseiro (CAB-IB).

Tutkimuksessa käytettiin korkealaatuista puolijohdepohjaista näytettä, joka toimii yhtenäisten valo-aine kondensaattien loukkuna. PDI:ssä suunniteltu ja valmistettu näyte luotiin pinoamalla yhden atomin paksuisia kerroksia puolijohdemateriaaleja erittäin suurissa tyhjiöolosuhteissa, jolloin lopulta muodostui mikronin kokoinen "laatikko", joka pystyi vangitsemaan miljoonia kvanttihiukkasia. Sitten se siirrettiin CAB-IB:lle testattavaksi.

Kun CAB-IB-tiimi suuntasi ajasta riippumattoman (eli jatkuvan) laserin näytteeseen, he havaitsivat, että sen sisältämät hiukkaset alkoivat värähdellä GHz:n taajuuksilla. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tällä alueella on havaittu jatkuvia värähtelyjä puolijohdelaitteen kondensaattinäytteessä.

Tutkijat havaitsivat myös, että värähtelyjä voitaisiin hienosäätää laserin optisella teholla, jolloin taajuuden vapaata kehitystä voidaan stabiloida puolijohdeatomihilan 20 GHz:n mekaanisilla värähtelyillä. Teoriansa mukaisesti tutkijat havaitsivat, että lasertehoa edelleen lisättäessä hiukkaset värähtelivät tasan puolet mekaanisten värähtelyjen taajuudesta.

"Tämä käyttäytyminen voidaan tulkita aikakiteen erilaisiksi ilmenemismuodoiksi", sanoi PDI:n tutkija Alexander Kuznetsov. "Demonstroidut tulokset tuovat uuden ulottuvuuden avoimien monikappaleisten kvanttijärjestelmien fysiikkaan mahdollistaen useita suuruusluokkaa aiempaa korkeampia taajuuksia ja esittelevät uusia tapoja hallita kehittyvää dynamiikkaa, joka johtaa kiehtoviin aikakiteisiin puolijohdealustalla.”

"Tämä työ esittelee paradigmaattisen muutoksen aikakiteiden lähestymistavassa tarjoamalla mahdollisuuden laajentaa tällaisia tutkimuksia mielivaltaisiin suuriin lokalisoitujen aikakiteiden ryhmiin (hiloihin) niiden vuorovaikutuksen ja synkronoinnin tutkimiseksi", sanoi Alejandro Fainstein, vanhempi tutkija ja professori, joka johti CAB-IB-ryhmää. ”Sen kautta olemme pystyneet paljastamaan kvanttimateriaalien omituisia käyttäytymismalleja. Koska käytetyt materiaalit ovat puolijohteita, jotka ovat yhteensopivia integroitujen fotonilaitteiden kanssa ja osoitetut taajuudet ovat merkityksellisiä sekä klassisen että kvanttitietotekniikan kannalta, kuvittelemme lisävaiheita, joissa yritämme ohjata näitä käyttäytymismalleja sovelluksissa, mukaan lukien fotoni-radiotaajuusmuunnos kvanttitasolla."

Tutkimusryhmän mukaan tämä koe lupaa aikakiteiden käyttöä integroidussa ja mikroaaltofotoniikassa.

"GHz-fononien ja lähi-infrapunafotonien välisen polaritonilla tehostetun kytkennän ansiosta tuloksilla on potentiaalia sovelluksiin (kvantti)muunnoksissa mikroaalto- ja optisten taajuuksien välillä", sanoi Paulo Ventura Santos, PDI:n vanhempi tutkija.

Aiheesta aiemmin:

Pikofotoniikan synty: Kohti aikakidemateriaaleja

Tutkimus: Solid-state continuous time crystal in a polariton condensate with a built-in mechanical clock

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn7087