Учёные провели наглядное наблюдение спиновых и плотностных мод в двухкомпонентной жидкости света.
Хранение квантового света
Более двух десятилетий физики работают над реализацией хранения квантового света, также известного как квантовая память, в различных материальных системах. Эти методы позволяют осуществлять контролируемое и обратимое отображение световых частиц, называемых фотонами, в долгоживущие состояния материи. Однако хранение света в течение длительных периодов без ущерба для эффективности его извлечения — сложная задача.
Перспективы редкоземельных атомов
В последние годы редкие земли в твёрдых материалах при криогенных температурах показали многообещающие результаты для квантовой памяти. В рамках этого исследования учёные из Инженерного колледжа Грейнджера при Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне выявили благоприятные свойства в стохиометрическом материале на основе европия с слоистой структурой.
Их наблюдения, опубликованные в Physical Review Letters, описывают рост и характеристику NaEu(IO₃)₄ — редкого земного материала, который может иметь значение для квантовой памяти в будущем.
Квантовая информация
В то время как классическая память относительно проста в реализации (например, для хранения текстовых сообщений между пользователями), квантовая информация не может быть сохранена, скопирована или сохранена таким образом.
«Если я хочу отправить кому-то квантовую информацию или квантовый бит, я не могу сделать его копию или удержать локально», — сказала Элизабет Гольдшмидт, профессор физики и соавтор статьи. «Как только я отправлю его, он исчезнет. Если он потеряется по пути, он потерян навсегда».
Одним из способов решения этой проблемы является использование редкоземельных элементов, таких как европий, которые могут быть использованы для долгосрочного хранения квантовой информации. Фотоны имеют тенденцию деградировать при длительном хранении, но европий может как поглощать, так и сохранять фотоны.
Кристаллизация для хранения квантового света
Учёные могут легировать эти редкие земли в кристаллы для облегчения хранения квантового света. Однако стохиометрические (или нелегированные) кристаллы, как правило, имеют меньше дефектов из-за отсутствия преднамеренного легирования.
Инженеры из Иллинойса стремились наполнить кристалл как можно большим количеством европия, перейдя к стохиометрическим кристаллам, где европий является частью структуры, а не случайным легирующим элементом.
Исследовательская группа сосредоточилась на NaEu(IO₃)₄ — слоистом стохиометрическом кристалле, содержащем европий, который отличается стабильностью в окружающей среде и сильными связями, образующими двумерные слои.
Если бы можно было изолировать один слой NaEu(IO₃)₄, его можно было бы интегрировать с фотонным чипом — важный шаг к созданию хорошей квантовой памяти. Однако поведение атомов европия может измениться, если они расположены слишком близко друг к другу, что потребовало тщательной характеристики этих свойств в новом материале.
«Миллисекундное или более длительное хранение квантовой памяти позволяет нам сохранять квантовое состояние в течение времени, необходимого для связи с кем-либо в любой точке Земли», — сказала Гольдшмидт.
«Максимальное время, необходимое для связи в другом месте, составляет несколько десятков микросекунд или миллисекунд: до спутника и обратно или через оптоволокно, огибающее Землю. Вот о каких временных рамках мы говорим».
Исследователи из Иллинойса продемонстрировали время хранения до 800 наносекунд. В дальнейшем они стремятся продемонстрировать более длительное время хранения и выделить один слой своего стохиометрического материала в надежде однажды создать квантовую память.
Свет как супержидкость
Недавние физические исследования показали, что свет иногда может течь неожиданными путями, ведя себя как так называемая «сверхтекучая жидкость». Сверхтекучие жидкости, такие как ультрахолодные атомные газы или гелий-4 при определённых температурах, представляют собой фазы материи, характеризующиеся поведением потока с нулевой вязкостью (то есть без сопротивления).
Исследователи из Лаборатории Кастлера-Броселя, Университет Сорбонны — CNRS недавно продемонстрировали, что фотоны в двухкомпонентной жидкости света могут проявлять как спиновые, так и плотностные моды, которые являются признаками смесей квантовых сверхтекучих жидкостей. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, может открыть новые и захватывающие возможности для моделирования и исследования квантовой физики многих тел с помощью оптических систем.
«Мы изучаем квантовые жидкости света, или, другими словами, оптические системы, в которых свет ведёт себя как сверхтекучая жидкость, которая во многом похожа на конденсаты Бозе-Эйнштейна или сверхпроводники», — рассказал Квентин Глориё, старший автор статьи.
«Целью этого исследования было выяснить, можно ли продвинуть эту аналогию дальше, создав смесь из двух взаимодействующих жидкостей света. Смеси очень интересны, поскольку они поддерживают богатую коллективную динамику и предлагают новую платформу для изучения квантовых фазовых переходов, топологических структур или даже аналоговой гравитации».
Чтобы подтвердить, что система является двухкомпонентной квантовой жидкостью, физикам необходимо продемонстрировать, что в ней присутствуют два разных типа коллективных колебаний. Первые из них — это колебания общей плотности фотонов (то есть плотностные моды), а вторые связаны с разницей между двумя её составляющими (то есть спиновые моды).
«Это именно то, что мы наблюдали в нашем эксперименте», — объяснила Клара Пьекарски, первый автор статьи. «Для нас эквивалентом квантовой волновой функции жидкости является огибающая электрического поля лазерного луча, распространяющегося через горячий атомный пар рубидия. В этой нелинейной среде фотоны начинают взаимодействовать друг с другом. Две компоненты жидкости соответствуют двум круговым поляризациям света, которые действуют как отдельные «виды» частиц в смеси».
По сути, Глориё, Пьекарски и их коллеги разделили лазерный луч на две части, каждая из которых имела разную круговую поляризацию. Они направили эти две поляризации света через горячий пар атомов рубидия, где они вели себя как два взаимодействующих бозонных газа.
Исследователи обнаружили, что, находясь внутри газа, свет начинал вести себя как сверхтекучая жидкость (то есть начинал течь без сопротивления). Они могут создавать два типа возбуждений, которые распространяются без диссипации, возмущая подобную жидкости оптическую систему более слабым световым лучом контролируемой поляризации и ориентации.
«Наше наиболее заметное достижение — это наглядное наблюдение спиновых и плотностных мод в двухкомпонентной жидкости света», — сказал Глориё. «Мы показали, что эти моды могут быть выборочно возбуждены, и мы наблюдали две различные скорости звука, по одной для каждой моды. Это первая экспериментальная реализация бинарной сверхтекучей жидкости, состоящей из фотонов. Это явно открывает широкие возможности в области квантовых жидкостей света».
В дополнение к наблюдению спиновых и плотностных мод двухкомпонентной жидкости света исследователи показали, что относительные скорости этих двух мод можно контролировать, регулируя плотность фотонов. Эта возможность настройки, которая обеспечивается насыщением атомного пара, уникальна для жидкостей света и оказалась недоступной в других известных сверхтекучих жидкостях.
«Наши результаты открывают множество возможностей», — добавила Пьекарски. «Мы можем работать в режиме, где сверхтекучей является только спиновая составляющая, а не плотностная, или наоборот. В настоящий момент мы изучаем несмешиваемый режим, где спиновая мода нестабильна, и две компоненты разделяются, занимая разные области пространства. Мы могли бы затем изучить квантовую версию гидродинамической неустойчивости, например, столкнув две компоненты».
© 2025 Science X Network