p Uma equipe liderada por cientistas da Rice University usou uma combinação única de técnicas para observar, pela primeira vez, um fenômeno de matéria condensada sobre o qual outros apenas especularam. A pesquisa pode auxiliar no desenvolvimento de computadores quânticos. p Os pesquisadores, liderado pelo físico de Rice Junichiro Kono e o estudante de graduação Xinwei Li, observaram e mediram o que é conhecido como uma mudança Bloch-Siegert em luz e matéria fortemente acopladas.

p Os resultados da complicada combinação de modelagem e experimentação são o assunto de um artigo em Nature Photonics . A técnica pode levar a uma maior compreensão das previsões teóricas nas transições de fase quântica porque os parâmetros experimentais usados ​​nos experimentos do Rice são altamente ajustáveis, de acordo com Kono. Em última análise, ele disse, pode ajudar no desenvolvimento de bits quânticos robustos para computação avançada.

p A mudança Bloch-Siegert, uma teoria nascida na década de 1940, é uma interação quântica na qual campos em contra-rotação são capazes de interagir. Mas essas interações têm sido difíceis de detectar.

p A teoria sugeriu a Kono e Li que pode ser possível detectar tal mudança quando um campo de luz girando em uma direção se acopla fortemente com um campo de elétrons ligado à matéria girando na direção oposta. Essas interações têm se mostrado difíceis de criar sem as ferramentas exclusivas montadas pela equipe liderada por Rice.

p "Luz e matéria não devem ressoar uma com a outra quando estão girando em direções opostas, "Kono disse." No entanto, no nosso caso, provamos que eles ainda podem se acoplar fortemente, ou interagir, mesmo que eles não estejam ressoando um com o outro. "

p Kono e seus colegas criaram a mudança de frequência de ressonância em um sistema de elétrons de dois níveis induzida por acoplamento com um campo eletromagnético dentro de uma cavidade, mesmo quando os elétrons e o campo estão girando em direções opostas - um efeito verdadeiramente surpreendente que ocorre apenas em um regime onde a luz e a matéria se mistura em um grau extremo.

p Nesse caso, os níveis são aqueles de elétrons bidimensionais em arsenieto de gálio sólido em um forte campo magnético perpendicular. Eles hibridizam com o campo eletromagnético do "vácuo" na cavidade para formar quasipartículas conhecidas como polaritons. Esperava-se que esta hibridização de vácuo-matéria levasse a uma mudança de frequência finita, uma mudança de vácuo Bloch-Siegert, em espectros ópticos para luz polarizada circularmente em contra-rotação com os elétrons. A equipe do Rice agora pode medi-lo.

p "Na física da matéria condensada, frequentemente procuramos novos estados fundamentais (estados de energia mais baixa). Para aquele propósito, o acoplamento de matéria leve é ​​geralmente considerado um inimigo porque a luz leva a matéria a um estado excitado (energia superior), "Kono disse." Aqui nós temos um sistema único que está previsto para entrar em um novo estado fundamental por causa do forte acoplamento de matéria leve. Nossa técnica nos ajudará a saber quando a força do acoplamento luz-matéria excede um certo limite. "

p A pesquisa se baseia em um forte acoplamento de matéria de campo de vácuo em uma cavidade de fator de alta qualidade que o laboratório criou e relatou em 2016. Os resultados na época apenas sugeriam a presença de uma mudança Bloch-Siegert. "Experimentalmente, acabamos de demonstrar o novo regime, "Li disse." Mas aqui, temos uma compreensão muito profunda da física envolvida. "

p Kono e Li creditaram ao físico Motoaki Bamba, da Universidade de Osaka, por fornecer uma base teórica para a descoberta, e Katsumasa Yoshioka, da Universidade Nacional de Yokohama, e ex-pesquisador visitante da Rice, por fornecer um dispositivo para produzir luz polarizada circularmente na faixa de terahertz do espectro eletromagnético.

p O laboratório usou a luz para sondar a mudança em uma qualidade ultra-alta, gás de elétron bidimensional fornecido pelo físico Michael Manfra da Universidade de Purdue e colocado em um poço quântico de arseneto de gálio (para conter as partículas) sob a influência de um forte campo magnético e baixa temperatura. Um espectroscópio terahertz mediu a atividade no sistema.

p "Luz linearmente polarizada significa um campo elétrico de corrente alternada que está sempre oscilando em uma direção, "Kono disse." Na luz polarizada circularmente, o campo elétrico está girando. "Isso permitiu aos pesquisadores distinguir entre os elétrons girando para a esquerda e para a direita em sua matéria condensada ligada ao vácuo em um campo magnético, e a partir disso, medir a mudança.

p "Nesse trabalho, tanto teoricamente quanto experimentalmente, demonstramos que, embora o elétron esteja girando desta forma e a luz esteja girando (da outra) forma, eles ainda interagem fortemente uns com os outros, o que leva a uma mudança de frequência finita conhecida como mudança de Bloch-Siegert, "Kono disse.

p Observar a mudança é uma indicação direta de que o acoplamento ultra-forte de luz-matéria invalidou a aproximação de onda rotativa, ele disse. "Essa aproximação está por trás de quase todos os fenômenos de interação luz-matéria, incluindo lasers, ressonância magnética nuclear e computação quântica, "Kono disse." Em qualquer interação ressonante luz-matéria, as pessoas estão satisfeitas com esta aproximação, porque o acoplamento geralmente é fraco. Mas se o acoplamento entre a luz e a matéria é forte, não funciona. Isso é uma evidência clara de que estamos no regime de acoplamento ultraforte. "