Асимметричная метаповерхность обеспечивает точный контроль запутывания фотонов
Роль «стандартной свечи» в поиске субатомных частиц
Подобно протонам и нейтронам, мезоны состоят из кварков, связанных сильным ядерным взаимодействием. Однако эти короткоживущие частицы имеют различные характеристики, которые могут раскрыть новую информацию об атомном ядре и устройстве Вселенной.
Учёные из лаборатории Джефферсона впервые измерили вероятность образования a₂ мезонов при столкновении поляризованного фотонного пучка с протоновой мишенью. Это измерение, называемое сечением рассеяния, было опубликовано в журнале Physical Review C.
Результат позволяет искать легчайший спин-экзотический мезон, пи₁, с конечной целью составления карты спектра масс гибридных систем.
Исследование квантовой хромодинамики
Теория квантовой хромодинамики (КХД) описывает сильное взаимодействие. Это основное направление исследований коллаборации GlueX, международной группы учёных, проводящих исследования в лаборатории Джефферсона.
«Нас интересует понимание кварк-глюонных степеней свободы», — сказал Шон Доббс, доцент Университета штата Флорида и член коллаборации GlueX. «Возбуждение глюонов, которые удерживают гибридные мезоны вместе, напрямую влияет на их свойства».
Для изучения КХД коллаборация GlueX использует фотоны, полученные из электронов ускорителя непрерывного пучка электронов (CEBAF), установки Министерства энергетики США, позволяющей проводить исследования более чем 1650 физикам по всему миру.
Создание пар фотонов с настраиваемой запутанностью
Новая материальная платформа позволила учёным создать пары фотонов, запутанность которых можно настраивать с помощью слоя тоньше человеческого волоса.
Пары фотонов создаются с помощью метаповерхности из фосфида индия-галлия (InGaP), которая имеет нелинейный отклик, позволяющий расщеплять классический фотон на два квантовых фотона. Настраивая длину волны исходного фотона, можно генерировать два новых фотона с полной запутанностью через их поляризацию, без запутанности вообще или любым другим значением между ними с пикосекундным контролем.
Процесс использует асимметрию поверхности, сказал руководитель исследовательской группы профессор Андрей Сухоруков. «Это новый принцип физики для подготовки настраиваемых квантовых состояний. Важность асимметрии в нелинейных процессах хорошо известна, но это первый случай, когда она была применена для генерации запутанных пар фотонов», — сказал профессор Сухоруков.
Настраиваемые запутанные пары фотонов
Настраиваемые запутанные пары фотонов являются важным компонентом для безопасной квантовой связи и шифрования, и это первая работа, в которой миниатюризация метаповерхностей используется для достижения настраиваемости.
Работа опубликована в Science Advances, и в ней подробно описывается, как процесс создаёт оптические резонансы для повышения эффективности производства пар фотонов.
Ключом к новому процессу является процесс изготовления метаповерхности, сказал соавтор и научный сотрудник EME/TMOS доктор Туомас Хагген. «Мы изучали материалы и поняли, что свойства InGaP многообещающие — большой нелинейный коэффициент, широкая запрещённая зона и прозрачность в красном диапазоне длин волн».
Эксперименты с вращением кристаллической решётки
Экспериментируя с вращением кристаллической решётки, используя эпитаксиальный рост в Австралийском национальном производственном центре, команда усовершенствовала метод, который создал метаповерхность с кристаллической структурой InGaP, выровненной в ориентации [110], в отличие от более распространённой ориентации [100], для которой требуемые нелинейные условия были почти полностью отсутствуют.
Для использования нелинейных свойств ориентации [110] команда хотела создать оптические резонансы для повышения эффективности. «Моделирование показало, что наилучшие условия для оптического резонанса были при использовании метаповерхности, состоящей из массива столбиков высотой 500 нм, диаметром чуть менее 1 мкм и расстоянием между ними 1 мкм, расположенных на подложке из диоксида кремния», — сказал соавтор и аспирант EME/TMOS Тонгмяо Фань.
Таким образом, использование метаповерхностей открывает новые возможности в дизайне — этот подход может быть использован для других степеней свободы или нескольких степеней свободы для создания гиперинтерференции.