研究在光晶格系统中引入无损耗物质波极化子

极化子研究中研究结果的艺术渲染显示光学晶格中的原子形成绝缘相（左）;原子通过真空耦合变成物质波极化子，由绿色（中心）表示的微波辐射介导;极化子变得可移动并形成超流体相，以实现强真空耦合（右）。图片来源：Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University。

极化子是当光子与物质激发强烈耦合时形成的准粒子。这些半光半物质的准粒子支撑着各种新兴光子量子系统的功能，包括基于半导体的纳米光子器件和电路量子电动力学系统。

石溪大学的研究人员最近引入了一种新的极化子系统，其中物质激发被光学晶格中的原子取代，光子被原子物质波取代。该系统在《自然物理学》上发表的一篇论文中介绍，产生了物质波极化子，并可能为极化子量子物质的研究开辟有趣的可能性。

“几年前，我们对使用超冷原子来模拟量子发射器的动力学行为的想法产生了兴趣，”进行这项研究的研究小组负责人Dominik Schneble博士告诉 Phys.org。“事实证明，有可能建立一个自发发射物质波的人造原子，就像原子自发发射光子一样（如所谓的Weisskopf-Wigner模型所描述的那样）。

Schneble和他的同事们表明，使用这种人造原子而不是“真实原子”来研究量子发射器的动力学行为有一些优点。最值得注意的是，人工系统允许研究人员自由调整重要参数，例如发射器的激发能及其与真空的耦合。

他们最初创造的人造发射器由一个微观陷阱（即光学晶格的阱）组成，该陷阱充满了单个原子。该团队实现了一种机制，允许单个原子翻转其自旋并自发释放到物质波导中，陷阱本身被嵌入其中。

“与传统量子发射器相比，这是唯一允许的衰变机制，辐射无法在其他地方逃脱，”Schneble解释说。“在2018年发表在《自然》杂志上的一篇论文中，我们观察到这些条件下的衰变可能具有相当奇特的特征。特别是，当我们将激发能量设置为负时（它可能听起来很奇怪，但也可以用于光子带隙材料中的“真实发射器”），发射的物质波辐射具有负能量，无法逃脱，而是作为真空激发的相干云盘旋在发射器周围。

极化子研究中研究结果的艺术渲染显示光学晶格中的原子形成绝缘相（左）;原子通过真空耦合变成物质波极化子，由绿色（中心）表示的微波辐射介导;极化子变得可移动并形成超流体相，以实现强真空耦合（右）。图片来源：Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University。

在他们的新研究中，Schneble和他的同事们利用了这样一个事实，即他们已经实现的发射器（即孔）确实是周期性晶格的一部分，该晶格也可以包含许多原子。因此，晶格内部的传输和相互作用效应可能变得很重要。

“如果我们暂时忽略发射特征，而只看晶格，这些原子本身就可以从一个地点隧道或跳跃到另一个地点，”Schneble说。“这是否会发生取决于跳跃的强度与由于同一晶格位点上的两个或多个原子之间的排斥而导致的能量成本相比（这被称为Bose-Hubbard模型）。

研究人员研究的关键目标是确定当他们打开光学晶格系统上的发射特征时会发生什么，特别是在辐射无法逃脱的负能量下。有趣的是，他们发现有证据表明，悬停的物质波往往会泄漏到邻近的井中。

在邻近的井中，逆衰变（即吸收）过程可以将悬停的物质波转换回被捕获的原子。通过这个过程，始发井同时排空。

“这实际上意味着被困的原子，在物质波云中，具有在晶格位点之间跳跃的额外机制，”Schneble说。“另一方面，波导中的物质波永远不能自由地自行传播，并且被拴在晶格中的原子上，它们所能做的就是跳跃。

结果，在这个系统中，物质波变得不那么移动，或者“更重”，而原子变得更移动，或者“更轻”。物质波和晶格中的原子形成复合准粒子，携带其两个成分的各个方面，称为“物质波极化子”。

用于进行物质波极化子实验的超冷原子装置。图片来源：Schneble Lab/Stony Brook University。

“使这个系统有趣的是，晶格中的原子（人们自己可能称之为'空晶格的激发'）在位点上相互排斥，”Schneble解释说。“现在，如果物质波与这些原子结合，那么物质波之间也存在有效的斥力。将其转换回传统的极化子系统，在这个系统中，你用光子代替我们的物质波，用激子极化子（或其他物质激发）代替晶格中的跳跃原子，现在你可以在光子之间进行有效的排斥。

就其本身而言，光子已知不会相互作用。因此，研究人员揭示的强极化子相互作用在推断到常规系统时非常有趣。

“我们平台的独特之处在于，物质波极化子是无损耗的，与基于光子的极化子系统形成鲜明对比，其寿命受到自发辐射衰变到环境中的限制，”Schneble说。

与他们早期专注于自发衰变的研究类似，该团队最近的极化子工作为访问迄今为止使用传统基于光子的系统无法访问的参数状态开辟了新的可能性。因此，在未来，它可以在新制度中对极化子物理学进行深入探索。

“我们的研究允许研究具有模拟量子模拟的高灵活性和控制力的极化子系统，”Schneble补充道。“由于没有不受控制的辐射损耗，探索具有物质波的强耦合辐射系统通常非常有趣，极化子特征将在此类研究中发挥重要作用。当然，极化子平台本身与QIST中的应用具有高度相关性，我们的工作也应该在这方面引起人们的兴趣。