原子物理学：強く相互作用するフェルミ気体中の普遍的なペアポラリトン

共振器量子電磁気学（共振器QED）では、光と物質の結合を操作して、複数のエミッターと1つの光モードをコヒーレントに結合させることができる。しかし、多体系においても、光–物質結合の機構はこれまで一体過程に限定されていた。今のところ、複雑な多体系の量子シミュレーションに共振器QEDを利用することは、多光子過程に依拠しており、このため光–物質相互作用は多体問題の低エネルギーで遅い時間のスケールに縮小されている。今回我々は、強く相互作用するフェルミ気体の分子遷移を用いて共振器QEDの実験を行い、共振器光子を原子対に直接結合させたことを報告する。光–物質間の強い相互作用と粒子間の強い相互作用が影響し合う結果、明瞭なペアポラリトン、すなわち、光子と原子対と分子がコヒーレントに混合する混成励起が生じる。ペアポラリトンのスペクトルの原子間相互作用に対する依存性は、用いた遷移によらず普遍的であり、基底状態での対相関と光学スペクトルの間の直接的なマッピングを実証している。これは、エネルギーに関して多体効果が2桁増幅されていることを意味している。この系は分散領域での高速かつ最小限な破壊での対相関測定を可能とし、対相関の量子限界での測定や動的な量子化光場を用いたコヒーレントな操作への道が開かれる。

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