Coherent Conversion of an Interacting Dark-State-Polariton Condensate into a Photonic Bose-Einstein Condensate

In de wereld van de kwantumfysica volgen licht en materie meestal verschillende regels. Licht, bestaande uit deeltjes die fotonen worden genoemd, heeft de neiging om door de ruimte te razen zonder veel rekening te houden met zijn buren, waarbij fotonen zelden met andere fotonen interageren. Materie daarentegen bestaat uit atomen die voortdurend tegen elkaar aan botsen, wat complexe gedragingen creëert wanneer ze worden afgekoeld tot nabij het absolute nulpunt. Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door een aggregatietoestand genaamd een Bose-Einsteincondensaat, waarbij duizenden atomen hun individuele identiteit verliezen en samensmelten tot één enkele, reusachtige kwantumgolf. Hoewel het creëren van deze toestand met atomen inmiddels routinematig is, is het doen van dit met licht een hardnekkige uitdaging geweest. Fotonen klonteren niet van nature samen of settelen niet in een rustige, verenigde toestand omdat ze geen manier hebben om energie te delen en af te koelen. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers een slimme truc toegepast: ze mengen licht met atomen, waardoor een hybride deeltje ontstaat dat de beste eigenschappen van beide draagt. Dit hybride deeltje, bekend als een dark-state polariton, gedraagt zich als een zwaar deeltje dat met anderen kan interageren, waardoor een wolk van licht kan condenseren. De grote vraag is geweest of dit licht zijn speciale, georganiseerde structuur kan behouden zodra de atomen die hielpen bij de creatie ervan worden verwijderd.

Een team van onderzoekers heeft nu een precieze methode in kaart gebracht om precies dat te doen. Ze beschrijven een proces waarbij een wolk van deze hybride licht-materiedeeltjes eerst wordt gepusht in een gecondenseerde toestand binnen een gespecialiseerde kamer, en vervolgens, door een zorgvuldig getimede sequentie van optische schakelaars, het atomaire deel voorzichtig wordt weggepeld. Wat overblijft is een pure wolk van fotonen, gevangen in de kamer, die zich nog steeds de complexe interacties herinnert die het had terwijl het gemengd was met materie. Het is alsoast het licht een les is geleerd door de atomen, waarna de atomen vertrokken, maar het licht de herinnering aan die les heeft behouden. De studie toont aan dat deze overgang zo soepel kan worden uitgevoerd dat de delicate kwantumorde van het licht behouden blijft, waardoor de fotonen op hun eigen manier kunnen evolueren terwijl ze de unieke vingerafdrukken van hun tijd in het interagerende gas behouden.

Het experiment vindt plaats in een caviteit, een doos gevormd door spiegels die licht vangen. Om het initiële condensaat te creëren, gebruiken de onderzoekers een specifieke opstelling met lasers en een wolk van atomen. Ze schijnen een controlelaser op de atomen om een transparant venster voor het licht te creëren, een fenomeen dat elektromagnetisch geïnduceerde transparantie wordt genoemd. Dit zorgt ervoor dat de fotonen mengen met langdurige atomaire excitaties, waardoor dark-state polaritonen worden gevormd. Deze hybride deeltjes zijn zwaar genoeg om met elkaar te interageren. De onderzoekers gebruiken een secundair laserproces om de deeltjes te helpen hun energie te herverdelen, waardoor ze kunnen bezinken in een stabiele, gecondenseerde toestand waarin ze als één enkele kwantumentiteit optreden. Tijdens deze voorbereidingsfase zijn de sterkte van de interactie en de massa van de deeltjes cruciale factoren. Het team ontdekte dat ze door de mix van licht en materie aan te passen, konden controleren hoe de deeltjes interageren en hoeveel van hen de laagste energietoestand bezetten. Ze ontdekten dat zelfs als de basisenergieniveaus van het systeem hetzelfde bleven, het veranderen van de massa van de deeltjes de manier waarop ze tegen elkaar botsten veranderde, wat op zijn beurt de uiteindelijke vorm en dichtheid van het condensaat veranderde.

Zodra het condensaat was voorbereid, initieerden de onderzoekers de conversie. Ze verhoogden de intensiteit van de controlelaser, waardoor de hybride deeltjes steeds meer op puur licht gingen lijken, en verplaatsten tegelijkertijd de atomen naar een positie waar ze de aantrekkingskracht van het licht niet langer voelden. Dit gebeurde in een specifieke sequentie: eerst werden de atomen weggeschoven van het sterkste punt van het licht, en daarna werd de controlelaser uitgezet. Dit liet de fotonen gevangen achter in de caviteit, volledig gescheiden van de materie die had geholpen bij hun vorming. De cruciale bevinding was dat deze scheiding de kwantumorde niet vernietigde. De fotonen kwamen naar voren met dezelfde verdeling van energietoestanden als toen ze gemengd waren met atomen. In simulaties met kleine aantallen deeltjes berekenden de onderzoekers dat de handeling van de scheiding de toestand van het condensaat veranderde met minder dan één deel per miljoen. Het licht behield de "herinnering" aan de interacties die het had ervaren, waardoor de complexe correlaties die het had opgebouwd effectief werden bevroren.

Na het verdwijnen van de atomen werden de fotonen aan hun lot overgelaten om onder hun eigen kracht te evolueren, gestuurd door enkel de vorm van de caviteit. De onderzoekers observeerden dat het licht niet alleen daar zat; het vertoonde specifieke patronen van gedrag die bewezen dat het geen willekeurige, thermische verzameling deeltjes was. De fotonen vertoonden een ritmische oscillatie in hun dichtheid, een slag veroorzaakt door de interferentie van verschillende energiemodi die tijdens de voorbereidingsfase aan elkaar waren gekoppeld. Belangrijker nog, ze vonden een specifiek type correlatie tussen paren fotonen die niet zouden bestaan in een normale, ongecorreleerde gas. Deze paren, die werden gecreëerd door de interacties in de oorspronkelijke hybride toestand, bleven verbonden zelfs nadat de atomen waren verwijderd. Deze verbinding is een signatuur van de veel-deeltjesfysica die plaatsvond tijdens de voorbereiding, een signatuur die een eenvoudig, niet-interagerend gas van licht nooit zou kunnen produceren.

De studie bevestigt dat het mogelijk is om een complexe kwantumtoestand in licht te creëren, deze te imprimeren met de eigenschappen van materie, en vervolgens het licht te isoleren om die eigenschappen voort te dragen. De onderzoekers toonden aan dat de massa van de hybride deeltjes en het fractie van materie die ze bevatten de primaire hefbomen waren voor het controleren van de uiteindelijke toestand. Ze demonstreerden ook dat de overgang van een gemengde toestand naar een zuivere fotonische toestand met een dergelijke hoge getrouwheid kon worden uitgevoerd dat de resulterende lichtstructuur de complexe kwantumstructuur van zijn oorsprong behoudt. Dit werk suggereert een nieuwe manier om kwantumsystemen te bestuderen: bereid ze voor met de rijke interacties van materie, en zet vervolgens de materie uit om te kijken hoe het licht evolueert met die interacties permanent gecodeerd in zijn structuur. De bevindingen bieden een duidelijk pad voor het genereren en opslaan van complexe kwantumtoestanden van licht, wat de deur opent naar het verkennen van hoe deze toestanden zich gedragen wanneer ze niet langer worden ondersteund door het materiële medium dat ze heeft gecreëerd.