Forskare vid ANU bevisade nyligen en ny metod för att generera orbitala vinkelmomenttillstånd (virvlor), med en topologisk laddning som säkerställs av en exceptionell punkt.

Nyligen genomförda studier vid ANU löser ett enastående problem inom exciton-polaritonfysik, och öppna spännande framtida forskningsriktningar inom området.

Arbetet av den tidigare ANU-postdoktorn Tingge Gao och FLEET-forskarna Guangyao Li, Eli Estrecho och Elena Ostrovskaya, tillsammans med medarbetare vid ANU och internationellt, resulterade i observation av exciton-polaritonvågfunktionen vid en speciell punkt i parametrarnas rymd som är känd som en "exceptionell punkt" (EP).

EP uppvisar en inneboende kiralitet eller "handedness" som forskarna använde för att robust generera virvlar i en exciton-polariton kvantvätska.

Undantagspunkter och lätta materialpartiklar

Exceptionella punkter uppstår när resonanser sammanfaller i ett system med förstärkning och förlust som resulterar i sammanslagning av motsvarande vågfunktioner.

Som namnet antyder, en EP har kontraintuitivt beteende och är ett fokus för den senaste tidens intensiva forskning inom klassiska system som optik, mikrovågor, plasmonics, akustik, och optomekanik.

På grund av EP:ns icke-triviala topologi, sammanslagning av vågfunktionerna resulterar i en väldefinierad "handedness" (kiralitet).

Dock, denna kiralitet hade inte tidigare visats i något kvantsystem. ANU-studien var den första demonstrationen av ett sådant kiralt tillstånd vid en EP i ett makroskopiskt kvantsystem av kondenserade exciton-polaritoner.

Exciton-polaritoner är hybridpartiklar som är delvis materia och delvis lätta, bundna samman av stark koppling i halvledarmikrohålrum, där de kan bilda ett Bose-Einstein-kondensat.

Viktigt, förekomsten av EP och den associerade topologiska fasen i exciton-polaritoner demonstrerades först av ANU-gruppen 2015. Detta resultat banade väg för ytterligare studier av "icke-hermitisk" kvantfysik av exciton-polaritoner, som kan avslöja nya funktionsprinciper för polaritonbaserade enheter.

I polariton-BEC-labbet vid ANU, forskare genererade virvelflöden med fast handedness (kiralitet) i exciton-polariton kvantvätskor genom att noggrant ställa in formen på resonatorn som induceras av ljus.

Tidigare arbete från samma grupp visade redan virvelgenerering, använda den kirala formen av det potentiella landskapet.

I detta nya verk, kiraliteten uppstår från EP:ns topologi snarare än från den ljusinducerade potentialen.

Detta uppnåddes genom att driva två resonanser motsvarande icke-kirala dipolmoder (tvålobiga) mot varandra. Nära en EP, interferensen av dessa lägen resulterade i ett kiralt tillstånd, vilket är ett virvelflöde.

Arbetet demonstrerar en ny metod för att generera orbitala rörelsemängdstillstånd med en topologisk laddning som skyddas av EP:s icke-triviala topologi.

Forskningen leddes av den tidigare ANU-postdoktorn Tingge Gao.

Chiralitet hos ett läge vid en EP är en grundläggande egenskap hos system med förstärkning och förlust (kända som icke-hermitiska system) och har tidigare demonstrerats i klassiska vågor (särskilt i mikrovågssystem och optiska system). ANU-arbetet markerar den första observationen av detta slag i ett kvantsystem.

Arbetet öppnar upp för en spännande framtida forskningsriktning inom exciton-polaritonfysik:utnyttjandet av icke-triviala egenskaper hos EP:er inom ett kvantsystem kan leda till ännu mer intressanta framsteg såsom förbättrad avkänning och topologisk omkoppling, som hittills endast har visats i klassiska system.

Vidare, arbetet uppmuntrar framtida experimentella studier av icke-hermitisk fysik inklusive EP-klustring och skapande av högre ordnings EP i ett makroskopiskt kvantsystem.

Studien Chiral modes at exceptional points in exciton-polariton quantum fluids publicerades i Fysiska granskningsbrev i februari 2018.