Une équipe dirigée par des scientifiques de l'Université Rice a utilisé une combinaison unique de techniques pour observer, pour la première fois, un phénomène de matière condensée sur lequel d'autres n'ont fait que spéculer. La recherche pourrait aider au développement d'ordinateurs quantiques.

Les chercheurs, dirigé par le physicien Rice Junichiro Kono et l'étudiant diplômé Xinwei Li, observé et mesuré ce que l'on appelle un décalage de Bloch-Siegert dans la lumière et la matière fortement couplées.

Les résultats de la combinaison compliquée de la modélisation et de l'expérimentation font l'objet d'un article dans Photonique de la nature . La technique pourrait conduire à une meilleure compréhension des prédictions théoriques dans les transitions de phase quantiques car les paramètres expérimentaux utilisés dans les expériences de Rice sont hautement ajustables, selon Kono. Finalement, il a dit, cela peut aider au développement de bits quantiques robustes pour le calcul avancé.

Le décalage Bloch-Siegert, une théorie née dans les années 40, est une interaction quantique dans laquelle des champs contrarotatifs sont capables d'interagir. Mais de telles interactions ont été difficiles à détecter.

La théorie a suggéré à Kono et Li qu'il pourrait être possible de détecter un tel décalage lorsqu'un champ lumineux tournant dans une direction se couple fortement avec un champ d'électrons lié à la matière tournant dans la direction opposée. Ces interactions se sont avérées difficiles à créer sans les outils uniques assemblés par l'équipe dirigée par Rice.

"La lumière et la matière ne doivent pas résonner l'une avec l'autre lorsqu'elles tournent dans des directions opposées, " dit Kono. " Cependant, dans notre cas, nous avons prouvé qu'ils peuvent encore fortement s'accoupler, ou interagir, même s'ils ne résonnent pas les uns avec les autres."

Kono et ses collègues ont créé le décalage de fréquence de résonance dans un système d'électrons à deux niveaux induit par couplage avec un champ électromagnétique à l'intérieur d'une cavité même lorsque les électrons et le champ tournent dans des directions opposées - un effet vraiment surprenant qui ne se produit que dans un régime où la lumière et la matière sont mêlées à un degré extrême.

Dans ce cas, les niveaux sont ceux des électrons bidimensionnels dans l'arséniure de gallium solide dans un fort champ magnétique perpendiculaire. Ils s'hybrident avec le champ électromagnétique « sous vide » dans la cavité pour former des quasi-particules appelées polaritons. On s'attendait à ce que cette hybridation vide-matière conduise à un décalage de fréquence fini, un décalage de Bloch-Siegert sous vide, dans les spectres optiques pour la lumière polarisée circulairement en contre-rotation avec les électrons. L'équipe Rice peut maintenant le mesurer.

« En physique de la matière condensée, nous recherchons souvent de nouveaux états fondamentaux (états de plus basse énergie). Dans ce but, le couplage lumière-matière est généralement considéré comme un ennemi car la lumière conduit la matière à un état excité (énergie plus élevée), " a déclaré Kono. " Ici, nous avons un système unique qui devrait entrer dans un nouvel état fondamental en raison d'un fort couplage lumière-matière. Notre technique nous aidera à savoir quand la force du couplage lumière-matière dépasse un certain seuil."

La recherche s'appuie sur un fort couplage champ sous vide-matière dans une cavité à facteur de qualité élevée que le laboratoire a créée et signalée pour la première fois en 2016. Les résultats de l'époque ne faisaient qu'indiquer la présence d'un décalage de Bloch-Siegert. "Expérimentalement, nous venons de démontrer le nouveau régime, " dit Li. " Mais ici, nous avons une compréhension très profonde de la physique impliquée."

Kono et Li ont crédité le physicien Motoaki Bamba de l'Université d'Osaka pour avoir fourni une base théorique à la découverte et Katsumasa Yoshioka de l'Université nationale de Yokohama et ancien chercheur invité à Rice pour avoir fourni un dispositif pour produire une lumière polarisée circulairement dans la gamme térahertz du spectre électromagnétique.

Le laboratoire a utilisé la lumière pour sonder le changement dans une ultra-haute qualité, gaz d'électrons bidimensionnel fourni par le physicien de l'Université Purdue Michael Manfra et placé dans un puits quantique d'arséniure de gallium (pour contenir les particules) sous l'influence d'un champ magnétique puissant et à basse température. Un spectroscope térahertz a mesuré l'activité dans le système.

"La lumière polarisée linéairement signifie un champ électrique à courant alternatif qui oscille toujours dans une direction, " dit Kono. " En lumière polarisée circulairement, le champ électrique tourne." Cela a permis aux chercheurs de distinguer les électrons tournant à gauche et à droite dans leur matière condensée liée au vide dans un champ magnétique, et de là, mesurer le décalage.

"Dans ce travail, à la fois théoriquement et expérimentalement, nous avons démontré que même si l'électron tourne de cette façon et que la lumière tourne (dans l'autre) sens, ils interagissent toujours fortement les uns avec les autres, ce qui conduit à un décalage de fréquence fini connu sous le nom de décalage de Bloch-Siegert, " dit Kono.

L'observation du décalage est une indication directe que le couplage lumière-matière ultra-fort a invalidé l'approximation de l'onde tournante, il a dit. "Cette approximation est à l'origine de presque tous les phénomènes d'interaction lumière-matière, y compris les lasers, résonance magnétique nucléaire et calcul quantique, " dit Kono. " Dans toute interaction résonante lumière-matière, les gens sont satisfaits de cette approximation, car le couplage est généralement faible. Mais si le couplage entre la lumière et la matière est fort, ça ne marche pas. C'est une preuve claire que nous sommes dans le régime de couplage ultra-fort."