نظرية تفاعل تجويف بولاريتون ريدبيرج

المواد الضوئية هي منصة ناشئة لاستكشاف المادة الكمومية وديناميكيات الكم، إذ قدم تطوير شفافية ريدبيرج المستحثة كهرومغناطيسيًا طريقًا واضحًا لتفاعلات قوية بين الفوتونات الضوئية الفردية، وبالاقتران مع الرنانات الضوئية المصممة بعناية أصبح من الممكن الآن تحقيق تحكم غير عادي في خصائص الفوتونات الفردية وإدخال حقول قياس قابلة للضبط أثناء تشبع الفوتونات بالكتلة وتضمينها في مشعبات مكانية منحنية.

نظرية تفاعل تجويف بولاريتون ريدبيرج

بناءً على العمل الذي يضفي الطابع الرسمي على التفاعلات التي تتم بوساطة ريدبيرج بين انتشار الفوتونات، قام العلماء بتطوير نظرية للتفاعل مع بولاريتون ريدبيرج في الرنانات الضوئية متعددة الأوضاع، حيث تتزاوج التفاعلات القوية مع خصائص جسيم واحد قابلة للضبط لبناء واستكشاف المادة الغريبة.

وفي ظل وجود اقتران قوي بين حقل الرنان ومجموعة ذرية من نوع ريدبيرج يظهر شبه جسيم يسمى تجويف ريدبيرج بولاريتون، إذ تم دراسة خصائصه ووجدوا أنه يرث الديناميكيات السريعة لمكوناته الضوئية والتفاعلات القوية لمكوناته الذرية.

وتم إعادة تنظيم التفاعلات بشكل صحيح عندما تقترب البولاريتون من بعضها البعض والتحقيق في تأثير الحركة الذرية على تماسك البولاريتونات متعددة الأوضاع، مما يُظهر أن معظم قنوات التحويل الحراري عبر الذرة والبولاريتون يتم قمعها بشدة. أخيرًا، يسخر الانعراج المتكرر وإعادة التركيز للرنان البصري لتحقيق التفاعلات المحلية في مساحة الزخم.

نظام التفاعل في بولاريتونات ريدبيرج

تمت دراسة مزيج ذرات ريدبيرج والشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا على نطاق واسع في نظام التفاعل القوي، حيث تم استخدام وسيط (EIT) بعمق بصري عالٍ (OD) وحالة ريدبيرج ذات عدد كمي رئيسي منخفض لإنشاء نظام متعدد الأجسام من ريدبيرج بولاريتون في نظام التفاعل الضعيف.

وظل انزياح الطور والتوهين الناجمين عن التفاعل ثنائي القطب وثنائي القطب (DDI) لا يزالان مهمين، ويمكن اعتبارهما عواقب الاصطدامات المرنة وغير المرنة بين بولاريتون ريدبيرج، إذ أن عرض توزيع الزخم المستعرض لقطب ريدبيرج عند خروج النظام أصبح أصغر بشكل ملحوظ مقارنةً بذلك عند المدخل.

توفر ذرات حالة ريدبيرج تفاعلًا قويًا ثنائي القطب وثنائي القطب (DDI) وآلية حصار ثنائي القطب مناسبة للتطبيقات في معالجة المعلومات الكمومية مثل المحاكيات الكمومية وبوابات منطقية كمومية ومصادر أحادية الفوتون، حيث يقلل تأثير الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا (EIT) من سرعة انتشار الضوء في الوسائط ويزيد بشكل كبير من وقت تفاعل المادة الضوئية، وبالتالي فإن تأثير (EIT) الذي يشمل ذرات ريدبيرج يمكن أن يتوسط بكفاءة في تفاعلات الفوتون والفوتون الهامة.

وقد جذبت هذه القضية قدرًا كبيرًا من الاهتمام مؤخرًا، حيث ركزت معظم دراسات ريدبيرج (EIT) السابقة على الفوتونات شديدة الارتباط في نظام الحصار ثنائي القطب والذي يظهر لذرات ريدبيرج شديدة التفاعل مع رقم كم رئيسي مرتفع (n) قريب من 100، وهذا يؤدي على سبيل المثال إلى بوابات فوتون-فوتون ثنائية الجسم ومراحل العديد من الأجسام المرتبطة ارتباطًا وثيقًا.

نظام بولاريتون ريدبيرج (EIT) هو مجموعة من أشباه الجسيمات البوزونية، حيث يمكن أن ترتبط علاقة التشتت وتوزيع الزخم لبولاريتونات ريدبيرج بكتلتها الفعالة ودرجة الحرارة 28، ويمكن النظر إلى انزياح الطور والتوهين الناتج عن ضوء الخرج الناجم عن (DDI) كنتيجة للتصادمات المرنة وغير المرنة بين البولاريتونات. ومن ثم فإن معدلات التغيير لتحول الطور والتوهين ترتبط بمعدلات الاصطدام المرنة وغير المرنة على التوالي، وأخيرًا فإن وقت انتشار الضوء البطيء أو وقت انتشار الضوء الثابت في نظام (EIT) هو بالضبط وقت تفاعل الجسيمات.

إنشاء نظام متعدد الأجسام ضعيف التفاعل

تم الاقتراح بشكل تجريبي فكرة مبتكرة لاستخدام وسيط بعمق بصري عالٍ (OD) وذرات ريدبيرج مع رقم كم رئيسي منخفض لإنشاء نظام متعدد الأجسام ضعيف التفاعل بناءً على تأثير (EIT)، وفي هذا العمل تم استخدام OD ≈ 80 و n  = 32، وتم دراسة البولاريتونات التي تمر بمرحلة انتقالية والمعروفة أيضًا باسم بولاريتونات الحالة المظلمة والتي في حالة ريدبيرج (EIT)، وهي شبه جسيمات تمثل تراكب الفوتونات وتماسك ريدبيرج.

إن تماسك ريدبيرج هو التماسك بين الأرض الذرية وحالات ريدبيرج، حيث يمكن استخدام بولاريتونات ريدبيرج ضعيفة التفاعل تحت وقت التفاعل المعزز (OD) في دراسة فيزياء الأجسام المتعددة مثل تكثيف بوز آينشتاين (BEC).

ضمنت حالة ريدبيرج المنخفضة جنبًا إلى جنب مع كثافة بولاريتون المعتدلة نظام التفاعل الضعيف في هذه التجربة، حيث أن حيث r B هو نصف قطر الحصار و r a هو متوسط ​​نصف المسافة بين بولاريتون ريدبيرج، وفي هذا النظام يكون متوسط ​​عدد بولاريتونات ريدبيرج في مجال الحصار أقل بكثير من الوحدة، وبالتالي نادرًا ما يحدث التوهين بسبب تأثير الحصار.