Название:Резонансная оптомеханика квантовых структур
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые слова:оптомеханика, полупроводники, наноструктуры, экситонные поляритоны, квантовая оптика, кубиты
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Поддубный,АН
Подразделения:
Код проекта:20-12-00194
Аннотация Проект нацелен на теоретическое исследование резонансных оптомеханических эффектов в квантовом режиме в условиях сильного межчастичного взаимодействия. В настоящее время идет взрывной рост исследований искусственных квантовых систем, который даже называют «второй квантовой революцией». По результатам экспериментов на массиве из нескольких десятков кубитов компанией Гугл в октябре 2019 г. опубликованы результаты о достижении т.н. “квантового превосходства”, которые сейчас активно обсуждаются и оспариваются независимыми исследователями. Квантовый режим достигнут и для света, взаимодействующего с механическими колебаниями. Например, сжатые состояния света последние несколько лет уже используются для повышения чувствительности детектирования гравитационных волн в интерферометре LIGO (эти исследования отмечены Нобелевской премией по физике за 2017 год). Использование долгоживущих колебаний в квантовом режиме и управление их взаимодействием со светом в ансамблях сверхпроводящих кубитов, холодных атомов или полупроводниковых наноструктурах перспективно для создания компактных, быстродействующих и энергоэффективных устройств хранения и обработки квантовой информации. Однако последовательная теория оптомеханических эффектов в распределенных квантовых системах до сих пор не развита. Первые оптомеханические устройства, такие как оптические пинцеты (Нобелевская премия 2018 г.), разрабатывались для захвата атомов и микрочастицы в сильном классическом электромагнитном поле. Методы для эффективного описания взаимодействия колебаний в массивах кубитов и сложных квантовых состояний излучения на данный момент отсутствуют. Традиционные методы квантовой оптики создавались для резонаторов с всего одной или несколькими фотонными модами, в которых помещены атомы с несколькими резонансными уровнями. В случае непрерывного фотонного спектра, например, для кубитов или атомов в волноводе, эти методы становятся неприменимы. Задачу усложняет также наличие взаимодействия с механическими колебаниями, которое, в отличие от классического предела, не может быть линеаризовано. Более того, взаимодействие света с наноструктурами может быть существенно модифицировано и усилено за счет материальных резонансов, например плазмонных и экситонных. Квантовая теория оптомеханического взаимодействия, учитывающая возможность возбуждения соответствующих квазичастиц, на данный момент отсутствует. Новые перспективы резонансного усиления оптомеханических эффектов открываются также в условиях сильного кулоновского и спин-орбитального взаимодействия. Настоящий проект направлен на решение описанных теоретических проблем и поиск новых оптомеханических эффектов в многочастичных квантовых системах. Проект носит междисциплинарный характер и включает исследования на стыке оптомеханики, квантовой оптики, физики конденсированного состояния и наноструктур. В ходе выполнения проекта будут проводиться исследования по следующим основным направлениям: -- теория оптомеханических эффектов в квантовом многочастичном режиме для ансамбля атомов или двухуровневых кубитов в полупроводниковом волноводе, поиск квантовых поляронов и топологических краевых состояний. --возбуждение поверхностных плазмонов и поляритонов при рассеянии света на колебаниях слоев графена и других двумерных полупроводников. Направленное многофононное рассеяние света на плазмонах и дрожащих резонансных наночастицах. --экситон-фононное взаимодействие в квантовых наноструктурах с релятивистским спектром в условиях сильного спин-орбитального и орбитально-долинного взаимодействия. Неупругое рассеяние света на акустических фононах с переворотом спина. Исследование будет выполняться в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН с привлечением студента Университета ИТМО. Ожидаемые результаты В рамках проекта запланирован широкий комплекс теоретических исследований, объединенных единой тематикой резонансного взаимодействия света с механическими колебаниями в квантовых системах. -- Будет построена теория квантовых оптомеханических эффектов для ансамбля колеблющихся двухуровневых атомов или сверхпроводящих кубитов, помещенных в одномерный волновод. Будет построена теория рассеяния нескольких фотонов на ансамбле колеблющихся атомов. Особое внимание будет сосредоточено на поиске и проявлениях связанных и локализованных состояний, обусловленных сильным взаимодействием между несколькими частицами. В частности, будет рассмотрено связанное состояние двух фотонов (т.н. дублон), исследована динамика дублонов при колебаниях атомов, проанализирована возможность существования связанного состояния нескольких фотонов и фононов (квантового аналога полярона) в ансамбле атомов и выяснена роль квантовых корреляций и запутанности фотонных и фононных мод. Также будет исследована возможность реализации топологически нетривиальных многочастичных квантовых фаз и краевых многочастичных состояний за счет локализации фотонов в квазипериодическом потенциале, возникающем при смещении атомов механическими колебаниями. -- Будет рассчитана эффективность возбуждения двумерных терагерцовых плазмонов при рассеянии света на изгибных колебаниях слоев графена. Планируется проанализировать спектры рассеяния света на колебаниях монослоев в зависимости от угла падения и поляризации с учетом сильного ангармонизма изгибных колебаний и их связи с продольными акустическими фононами в графене. Помимо резонансного рассеяния с возбуждением плазмонов, также будет исследован обратный процесс влияния оптической накачки на спектр колебаний графена и других двумерных полупроводников, который может приводить к неустойчивости и невзаимности акустического спектра. -- Будет решена задача о резонансном рассеянии терагерцовых фотонов на плазмонных колебаниях электронного газа в полупроводниках и рассчитаны эффекты оптомеханического разогрева и охлаждения. Мы ожидаем, что в такой системе может быть реализован новый тип компактных твердотельных оптомеханических резонаторов, в которых электронный газ выполняет роль подвижного зеркала. -- Будет построена теория направленного многоквантового рассеяния света на колеблющейся резонансной наночастице. Будут рассчитана диаграмма направленности и спектры рассеяния света при произвольном соотношении между частотой колебаний и шириной оптического резонанса наночастицы. Это позволит отследить переход между режимом комбинационного рассеяния, когда частота колебаний высока, и допплеровским режимом с малой частотой колебаний. Расчет будет выполнен в режиме сильного фотон-фононного взаимодействия, когда одновременно могут испускаться или поглощаться несколько квантов колебаний. Ожидается, что в многоквантовом случае будут возбуждаться высокие мультипольные моды, что позволит добиться высокой степени направленности для рассеянного света. -- Будет развита теория экситон-фононного взаимодействия в нанокристаллах халькогенидов свинца (PbS, PbSe,PbTe), характеризующихся сильным спин-орбитальным взаимодействием, квазирелятивистским электронным спектром, а также долинным вырождением основного состояния. Будут описаны релаксационные процессы с переворотом спина электронов, дырок и экситонов в квазинульмерных и квазидвумерных наноструктурах полупроводников A2B6 с участием акустических фононов. Будет рассчитан спектр обусловленного такими процессами неупругого рассеяния света. Полученные результаты будут оригинальными и будут соответствовать мировому уровню. Исследования внесут существенный вклад в развитие оптомеханики полупроводниковых наноструктур и квантовых систем и расширят фундаментальные знания о квантовых оптомеханических эффектах в условиях сильного межчастичного взаимодействия. Проект заложит фундаментальную базу для создания новых устройств долгоживущей квантовой памяти и обработки квантовых сигналов, генерации и детектирования неклассических состояний света и колебаний, управления световыми потоками на наномасштабах, а также позволит развить новые экспериментальные методы спектроскопии квантовых систем и наноструктур. ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Аннотация результатов, полученных в 2020 году (1) Построена теория взаимодействия света с периодическими массивами неподвижных сверхпроводящих кубитов, помещенных в волновод. Предсказано возникновение в конечных массивах хаотических двухполяритонных состояний, индуцированных взаимодействием. https://arxiv.org/abs/2011.11931 (2) Совместно с экспериментаторами университета Карлсруэ (Германия) проведены экспериментальные исследования взаимодействия света с массивом восьми сверхпроводящих кубитов, помещенных в волновод. В согласии с теоретическими предсказаниями, продемонстрировано экспериментально образование сверхизлучательных и субызлучательных состояний, а также поляритонной щели в спектре пропускания и коллективный эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности. https://arxiv.org/abs/2006.03330 (3) Теоретически исследованы оптомеханические эффекты взаимодействия фотонов с колеблющимися атомами, связанными с однонаправленным волноводом. Рассчитана зависимость уровней энергии системы трех атомов от силы оптомеханического взаимодействия. Предсказана возможность квантовых фазовых переходов в системе с нарушением Z3 симметрии и образованием квантово-запутанного основного состояния. https://arxiv.org/abs/2009.01289 (4) Рассчитаны индуцированные излучением топологические краевые состояния фононов, взаимодействующих с массивом атомов или кубитов. Рассмотрена ситуация, когда массив освещается двумя электромагнитными волнами, частота одной из которых выше оптического резонанса, а второй – ниже резонанса, и показано, что свет в такой системе наводит периодический потенциал для колебаний, соответствующий эффективной модели Обри–Андре–Харпера (Aubry–Andre–Harper, AAH). На краю такой структуры возникают топологические краевые состояния акустических фононов (принято к печати в журнале Физика Твердого Тела) (5) Проведены теоретические исследования эффектов оптомеханического разогрева и охлаждения для локализованной колебательной моды, взаимодействующей одновременно с двумя поляритонными резонансами. Проанализирована зависимость эффективности разогрева и охлаждения от соотношения коэффициентов связи колебаний с двумя резонансами и численно продемонстрирована возможность асимметрии в спектре разогрева, когда разогрев реализуется лишь только на резонансе верхней или только на резонансе нижней поляритонной моды. (6) Проведены предварительные расчеты диаграмм направленности для многоквантового рассеяния света на колеблющейся резонансной наночастице и показано, что максимально возможная степень направленности рассеяния возрастает с с увеличением числа испущенных или поглощенных квантов колебаний. (7) Рассчитана вероятность возбуждения плазмона в графене падающей по нормали электромагнитной волной в процессе стоксова или анти-стоксова рассеяния, сопровождающегося испусканием или поглощением изгибного фонона. Установлено, что при низких температурах основной вклад в вероятность процесса вносит чисто электродинамический механизм взаимодействия плазмона с изгибными колебаниями, основанный на изменении фазы электромагнитного поля, воздействующего на участок листа графена, при его смещении вдоль нормали. При высоких температурах рассеяние обусловлено взаимодействием плазмона с изгибными колебаниями по механизму деформационного потенциала. Рассчитано пространственное распределение поверхностных акустических волн в полупроводнике, покрытом решеткой, не обладающей центром пространственной инверсии. Показано, что в решетке без центра инверсии распределение деформации для поверхностной волны с нулевым блоховским волновым вектором является асимметричным и характеризуется ненулевым средним импульсом в плоскости интерфейса и ненулевой степенью циркулярной поляризации в плоскости, перпендикулярной поверхности. (принято к печати в журнале Физика и Техника Полупроводников) (8) Построена феноменологическая теория и проведен симметрийный анализ экситон-фононного взаимодействия в квантовых точках халькогенидов свинца (PbS, PbSe, PbTe) с учётом многодолинности в рамках расширенной kp-модели.