Enkelvoudig hybride systeem op nanoschaal voor het bestuderen van het vacuümfluctuatieveld

Als je aan lege ruimte denkt, stel je je vrijwel zeker een vacuüm voor waarin nooit iets interessants kan gebeuren. Als we echter inzoomen op kleine lengteschalen waar kwantumeffecten belangrijk beginnen te worden, blijkt dat wat je dacht dat leeg was, feitelijk te allen tijde gevuld is met een ziedende massa van elektromagnetische activiteit, terwijl virtuele fotonen in en uit flikkeren. .

Dit onverwachte fenomeen staat bekend als het vacuümfluctuatieveld. Maar omdat deze fluctuaties in de lichtenergie zo klein en vluchtig in de tijd zijn, is het moeilijk manieren te vinden waarop materie ermee kan interageren, vooral binnen één enkel geïntegreerd apparaat.

In een studie getiteld “Elektrische detectie van ultrasterke coherente interactie tussen terahertzvelden en elektronen met behulp van kwantumpuntcontacten” gepubliceerd deze maand binnen Nano-brieven, zijn onderzoekers van het Institute of Industrial Science van de Universiteit van Tokio erin geslaagd een enkel hybride systeem op nanoschaal te fabriceren om precies dit te doen. In hun ontwerp verbindt een kwantumpuntcontact een enkele splitringresonator op de chip met een tweedimensionaal elektronensysteem.

De splitringresonator, een vierkante metalen lus van nanogrootte met een kleine opening, reageert het sterkst wanneer hij wordt opgewonden met specifieke resonantiefrequenties van terahertz elektromagnetische straling. Conventionele optische metingen vereisten voorheen arrays met veel resonatoren, maar het team kan nu ultrasterke koppeling detecteren met behulp van een enkele terahertz splitringresonator verbonden met 2D-elektronen.

Om de verwerking van kwantuminformatie in de toekomst haalbaarder te maken, is het belangrijk om de kwantumtoestand te kunnen bepalen met behulp van een eenvoudige, enkele resonatorstructuur. Dit doel wordt ook beter haalbaar gemaakt door gebruik te maken van elektrische, in plaats van optische, detectie, die wordt uitgevoerd met behulp van het kwantumpunt elektrisch contact.

“Materie die kan interageren met vacuümfluctuaties van het elektromagnetische veld zou zich in het ultrasterke koppelingsregime bevinden”, zegt Kazuyuki Kuroyama, eerste auteur van het onderzoek. Het experiment toonde aan dat het stroomsignaal in het kwantumpuntcontact gebruikt kon worden om de ultrasterke koppeling van de enkele splitringresonator met het 2D-elektronengas te detecteren.

Bovendien zou elektrische stroom in het kwantumpuntcontact kunnen worden gemeten, zelfs zonder dat er externe straling wordt toegepast. Modulaties in de stroom lieten de onderzoekers concluderen dat interacties tussen het 2D-elektronengas en de vacuümveldfluctuaties van de resonator nog steeds plaatsvinden in afwezigheid van terahertzstraling.

“Onze bevindingen kunnen zeer gevoelige kwantumsensoren mogelijk maken die werken op basis van de koppeling tussen vacuümfluctuaties en een geïntegreerd hybride kwantumapparaat”, zegt Kazuhiko Hirakawa, senior auteur.

Naast het leren van meer over de fundamentele natuurwetten op zeer kleine schaal, kunnen de bevindingen van dit onderzoek mogelijk worden gebruikt om toekomstige kwantumcomputers te helpen ontwikkelen die gebruik kunnen maken van de gebruikelijke verschijnselen om gegevens te verwerken of te verzenden.