فوتون واحد يكفي للذاكرة: ليزر البولاريتون يتذكر الاستقطاب

تعد Polaritons واحدة من أكثر الأجسام الكمومية غرابة وفي نفس الوقت مثيرة للاهتمام من الناحية العملية في الفيزياء الحديثة. وهي تنشأ في تجاويف دقيقة لأشباه الموصلات ـ وهي شطائر رقيقة من طبقات شبه موصلة محصورة بين مرآتين ـ عندما تبدأ الفوتونات، المنعكسة بشكل متكرر في المرايا، في التفاعل بقوة مع الإكسيتونات: أزواج من الثقوب الإلكترونية المرتبطة التي يتم إنتاجها في الآبار الكمومية. يخلق هذا الاقتران القوي حالات كمومية جديدة – بولاريتونات – ترث خصائص كل من الفوتونات (كتلة فعالة صغيرة للغاية وسرعة هائلة) والإكسيتونات (القدرة على تفاعلات غير خطية قوية). عند كثافة عالية بما فيه الكفاية، يمكن للبولاريتونات أن تشكل مكثف بوز-آينشتاين، وهي حالة كمومية يتحرك فيها عدد كبير من الجسيمات في انسجام، كجسم كمي واحد. يستغل ليزر البولاريتون هذه الظاهرة بالضبط: عندما يتم تشبع المكثفات، فإنها تبدأ في إصدار ضوء متماسك بعتبة مضخة أقل بكثير من تلك الخاصة بليزر أشباه الموصلات التقليدي. يتكثف الإكسيتون-بولاريتون في تجويف صغير: تنشأ البولاريتونات نتيجة للتفاعل القوي للفوتونات مع الإكسيتونات في بئر كمومية لأشباه الموصلات. وفي مثل هذه الهياكل تتحقق ذاكرة الاستقطاب الموصوفة في العمل / © Nature Physics / Exciton-polariton condensates, 2014. تتمتع البولاريتونات بخاصية أخرى رائعة: فهي موجودة في استقطابين دائريين – اليمين (σ⁺) واليسار (σ⁻). وهذا يعني أنه يمكن وصف تكاثف البولاريتون بواسطة ناقل ستوكس أو نقطة على كرة بوانكاريه تصف حالة الاستقطاب. في حالة عدم وجود تباين خارجي، يتم اختيار ناقل Stkoss عشوائيًا بواسطة النظام في كل مرة يتم فيها تكوين المكثفات. وقد تم تأكيد ذلك تجريبيًا ونظريًا: إذا تم رسم توزيع الاستقطابات على آلاف من الإنجازات المستقلة، فسيكون موحدًا في جميع أنحاء مجال بوانكاريه. ولكن ماذا يحدث إذا تم إدخال “بذرة” صغيرة في وضع الرنان قبل تكوين المكثف – عدة أو حتى بولاريتون واحد باستقطاب محدد مسبقًا؟ بفضل التعزيز البوزوني، وهو تأثير أساسي تجتذب فيه الحالات الممتلئة بالفعل جسيمات جديدة باحتمالية أكبر بشكل كبير، تفضل المكثفات النمو، مع الحفاظ على الاستقطاب المحدد بواسطة البذرة. كلما زاد نمو المكثفات بشكل أسرع، قل الوقت الذي تستغرقه التقلبات في “إبعاد” الاستقطاب عن الاتجاه المطلوب. ونتيجة لذلك، يتم تسجيل الاستقطاب وتثبيته والحفاظ عليه حتى بعد اضمحلال البولاريتونات الفردية التي تحمل هذه المعلومات منذ فترة طويلة واستبدالها بأخرى جديدة من الخزان. قام باحثو Phystech بإضفاء الطابع الرسمي على هذه الآلية عن طريق حل معادلة Gross-Pitaevsky العشوائية، والتي تتضمن كسبًا قابلاً للإشباع (يصف نمو المكثفات من الخزان)، والخسائر (التي تصف العمر المحدود للبولاريتونات في الرنان) والضوضاء البيضاء الغوسية، التي تتناسب شدتها مع معدل النمو. سمحت النمذجة العددية لمجموعة مكونة من 5 آلاف تحقيق مستقل للمؤلفين بالحصول على توزيعات كاملة لحالة استقطاب المكثفات في أي وقت. تم نشر العمل في مجلة Physical Review Letters. مفتاح الاستقطاب يعتمد على تدفق البولاريتون في درجة حرارة الغرفة. توضح هذه الأجهزة جدوى خلايا ذاكرة الاستقطاب بناءً على شبكات فان دير فالس الفائقة / © Nature Communications / مفاتيح دوران بولاريتون في درجة حرارة الغرفة، 2024 لقياس جودة ذاكرة الاستقطاب، قدم المؤلفون مقياس PAM (مقياس محاذاة الاستقطاب): F