Chiral doublon bound states in a synthetic topological waveguide

In de wereld van licht en materie weten wetenschappers al lang hoe ze individuele fotonen, of lichtdeeltjes, met atomen kunnen laten interageren. Wanneer deze kleine deeltjes gevangen zitten in een nauwe kanaal, een zogenaamde golfgeleider, kunnen ze heen en weer stuiteren, wat complexe patronen van energie creëert. Meestal negeren lichtdeeltjes elkaar echter; ze gaan er doorheen als geesten. Om ze aan elkaar te laten plakken of elkaar te laten beïnvloeden, moeten onderzoekers een speciaal soort wrijving of niet-lineariteit in het systeem introduceren. Dit stelt fotonen in staat om paren te vormen, waardoor ze nauw gebonden clusters vormen die doublons worden genoemd. Denk bij deze paren niet aan twee afzonderlijke reizigers, maar aan één enkele, zwaardere reiziger die door het kanaal beweegt. Tegelijkertijd hebben natuurkundigen ontdekt dat bepaalde materialen zo kunnen worden ontwor굳 dat ze een verborgen "handigheid", of chiraliteit, bezitten, waarbij golven slechts in één richting kunnen reizen, vergelijkbaar met een eenrichtingsweg. De vraag die de recente research aanjaagt, is wat er gebeurt wanneer deze twee exotische concepten — de gebonden fotonparen en de eenrichtingswegen — elkaar ontmoeten.

Een team onderzoekers aan de Xi'an Jiaotong Universiteit heeft dit snijvlak verkend door een theoretisch model van een driehoekige ladder-golfgeleider te ontwerpen. In deze opstelling plaatsten ze een paar kwantumemittenten, oftewel piepkleine bronnen van licht, in een kanaal waar fotonen sterk met hun buren kunnen interageren. Door de sterkte van deze interacties af te stemmen, ontdekten de onderzoekers dat de twee fotonen in een paar zich gedragen alsof ze op een compleet ander soort traject bewegen. Ze brachten de beweging van deze fotonparen in kaart op een structuur die bekend staat als een Su-Schrieffer-Heeger-keten, een beroemd model in de natuurkunde dat speciale, beschermde toestanden aan de randen van een materiaal creëert. Het resultaat was de ontdekking van een nieuw type gebonden toestand dat chiraal is, wat betekent dat het aan één kant van het kanaal is vastgelegd en niet gemakkelijk naar de andere kant kan overstappen.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer een emittent aan dit systeem wordt gekoppeld, dit een unieke verstoring veroorzaakt in de stroom van de fotonparen. In plaats van dat de fotonparen zich rond de emittent ophopen, vormen ze een gebonden toestand die een duidelijke "knoop", of een punt van nul aanwezigheid, heeft, precies op de plek waar de emittent zich bevindt. De golffunctie van het fotonpaar, die beschrijft waar de deeltjes waarschijnlijk te vinden zijn, verdwijnt op die specifieke plek en vervalt vervolgens exponentieel naarmate het zich naar slechts één kant beweegt. Dit gedrag bootst een vacuüm, of een gat, in het rooster van het materiaal na. De emittent fungeert effectief als een harde wand die de fotonparen niet kunnen penetreren, waardoor ze zich aan slechts één kant ophopen. Deze eenzijdige lokalisatie is een directe erfenis van de topologische eigenschappen van de onderliggende structuur, wat de gebonden toestand zijn chirale karakter geeft. De richting van deze lokalisatie hangt volledig af van aan welk specifiek deel van het rooster de emittent is bevestigd, waardoor wetenschappers kunnen controleren of de gebonden toestand naar links of naar rechts groeit.

Om te testen hoe deze chirale gebonden toestanden met elkaar zouden kunnen interageren, breidde het team hun model uit door twee aparte paren emittenten op te nemen. Ze onderzochten wat er gebeurde wanneer deze twee paren op verschillende afstanden en oriëntaties ten opzichte van elkaar werden geplaatst. Wanneer de twee gebonden toestanden zo waren gerangschikt dat ze naar elkaar toe gericht waren, met hun gelokaliseerde staarten overlappend in de ruimte tussen hen, kwam het systeem tot leven. De onderzoekers observeerden coherente Rabi-oscillaties, een ritmische uitwisseling van energie waarbij de excitatie heen en weer springt tussen de twee emittentparen. Deze interactie werd gedreven door de overlap van de fotonpaarwolken, wat een sterke, controleerbare link creëerde tussen de verre emittenten.

Het verhaal veranderde echter drastisch wanneer de oriëntatie of de afstand werd gewijzigd. Wanneer de twee gebonden toestanden rug aan rug waren gerangschikt, wijzend van elkaar af, overlapten hun staarten helemaal niet. In deze configuratie verdween de interactie volledig en bleven de twee emittentparen onafhankelijk van elkaar, zonder dat er energieoverdracht plaatsvond. Op dezelfde manier, als de twee emittentparen op hetzelfde type roosterplaats werden geplaatst maar gescheiden waren door een even aantal stappen, verdween de interactie ook. Dit komt omdat de chirale gebonden toestanden alleen bestaan op specifieke, alternerende plaatsen binnen het rooster; als de tweede emittent op een plaats wordt geplaatst waar de eerste gebonden toestand een nul-aanwezigheid heeft, kunnen ze elkaar simpelweg niet "zien". De onderzoekers bevestigden deze bevindingen door middel van gedetailleerde numerieke simulaties, waarbij zij lieten zien dat de sterkte van de interactie niet alleen afhangt van de afstand, maar ook van de precieze uitlijning van de chirale toestanden en de pariteit van de scheiding tussen hen.

Deze bevindingen suggereren een nieuwe manier om interacties tussen gecorreleerde fotonparen te ontwerpen zonder dat ze fysiek dicht bij elkaar hoeven te zijn. Door de chiraliteit en de relatieve positionering van de emittenten te controleren, kunnen wetenschappers de interactie aan- of uitzetten, waardoor een schakelbare verbinding tussen verre kwantumsystemen ontstaat. De studie stelt voor dat een dergelijke opstelling gerealiseerd kan worden in circuit kwantumelektrodynamica met behulp van instelbare niet-lineaire koppelers, wat een praktische route biedt naar het bouwen van niet-lineaire kwantumnetwerken. Dit werk biedt een blauwdruk voor het creëren van op maat gemaakte many-body interacties, waarbij de informatiestroom wordt beheerst door de topologische regels van het systeem in plaats van door enkel eenvoudige nabijheid, wat de deur opent naar complexere en robuustere kwantumapparaten.