Ett internationellt forskningssamarbete från Polen, Storbritannien och Ryssland har skapat ett tvådimensionellt system – en tunn optisk hålighet fylld med flytande kristaller – där de fångade fotoner. Eftersom kavitetens egenskaper modifierades av en extern spänning, fotonerna betedde sig som massiva kvasipartiklar utrustade med ett magnetiskt moment, kallas "snurra, " under påverkan av ett artificiellt magnetfält. Forskningen har publicerats i Vetenskap på fredag, 8 november 2019.

Världen omkring oss har en tidsmässig och tre rumslig dimension. Fysiker som studerar kondenserad materia har länge sysslat med system med lägre dimensionalitet – tvådimensionella (2-D) kvantbrunnar, endimensionella (1-D) kvanttrådar och nolldimensionella (0-D) kvantpunkter. 2D-system har hittat de bredaste tekniska tillämpningarna – det är tack vare de reducerade dimensionerna som effektiva lysdioder och laserdioder, snabba transistorer i integrerade kretsar, och WiFi-radioförstärkare fungerar. Instängda elektroner i två dimensioner kan bete sig helt annorlunda än fria elektroner. Till exempel, i grafen, en tvådimensionell kolstruktur med bikaksymmetri, elektroner beter sig som masslösa föremål, dvs ljuspartiklar som kallas fotoner.

Elektroner i en kristall interagerar med varandra och med kristallgittret, skapa ett komplext system vars beskrivning är möjlig tack vare introduktionen av begreppet så kallade kvasipartiklar. Egenskaper hos dessa kvasipartiklar, inklusive elektrisk laddning, magnetiskt moment och massa, beror på kristallens symmetri och dess rumsliga dimension. Fysiker kan skapa material med reducerade dimensioner, upptäcka "kvasi-universum" fulla av exotiska kvasipartiklar. Den masslösa elektronen i tvådimensionell grafen är ett sådant exempel.

Dessa upptäckter inspirerade forskare från Warszawas universitet, det polska militära tekniska universitetet, Institutet för fysik vid den polska vetenskapsakademin, University of Southampton och Skolkovo Institute nära Moskva, att studera ljus fångat i tvådimensionella strukturer - optiska kaviteter.

Författarna till Vetenskap papper skapade en optisk kavitet där de fångade fotoner mellan två speglar. Den ursprungliga idén var att fylla kaviteten med ett flytande kristallmaterial som fungerar som ett optiskt medium. Under påverkan av en extern spänning, molekyler av detta medium kan rotera och ändra den optiska väglängden. På grund av detta, det var möjligt att skapa stående ljusvågor i kaviteten, vars energi (vibrationers frekvens) var annorlunda när vågens elektriska fält (polarisation) riktades över molekylerna och olika för polarisering längs deras axel (detta fenomen kallas optisk anisotropi).

Under forskningen, genomfördes vid universitetet i Warszawa, det unika beteendet hos fotoner som fångades i kaviteten hittades då de betedde sig som massbärande kvasipartiklar. Sådana kvasipartiklar har observerats tidigare, men de var svåra att manipulera eftersom ljuset inte reagerar på elektriska eller magnetiska fält. Den här gången, det noterades att när den optiska anisotropin hos det flytande kristallmaterialet i håligheten ändrades, de fångade fotonerna betedde sig som kvasipartiklar utrustade med ett magnetiskt moment, eller ett "snurr" i ett "konstgjort magnetfält". Polarisering av den elektromagnetiska vågen spelade rollen som "snurr" för ljus i kaviteten. Ljusets beteende i detta system är lättast att förklara med analogin av elektronernas beteende i kondenserad materia.

Ekvationerna som beskriver rörelsen hos fotoner som fångas i kaviteten liknar rörelseekvationerna för elektroner med spin. Därför, det var möjligt att bygga ett fotoniskt system som perfekt imiterar elektroniska egenskaper och leder till många överraskande fysiska effekter som topologiska ljustillstånd.

Upptäckten av nya fenomen relaterade till infångningen av ljus i optiskt anisotropa kaviteter kan möjliggöra implementeringen av nya optoelektroniska enheter, t.ex. optiska neurala nätverk och utföra neuromorfa beräkningar. Det finns ett särskilt löfte om möjligheten att skapa ett unikt kvanttillstånd av materia - Bose Einstein-kondensatet. Ett sådant kondensat kan användas för kvantberäkningar och simuleringar, lösa problem som är för svåra för moderna datorer. De studerade fenomenen kommer att öppna nya möjligheter för tekniska lösningar och ytterligare vetenskapliga upptäckter.