En grupp Skoltech-forskare, i samarbete med kollegor från University of Southampton (UK), utvecklat ett helt optiskt tillvägagångssätt för att kontrollera kopplingarna mellan polaritonkondensat i optiska gitter. Denna studie är ett viktigt steg mot den praktiska tillämpningen av optiska polaritonkondensatgitter som en plattform för att simulera faser av kondenserad materia. Forskningsresultaten publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev , där papperet fanns på framsidan.

Under dess tre år av existens, Laboratory of Hybrid Photonics vid Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials och dess team av unga forskare, arbetar under ledning av professor Pavlos Lagoudakis, har drivit på det senaste inom området excitonpolaritonik. Deras senaste demonstration av koherent kopplade polaritonkondensat har framför allt föreslagits som en ny simulatorplattform [1, 2]. Denna teknik använder ett utarbetat laserexcitationsmönster för att generera polaritongrafer med hög komplexitet på ett mycket skalbart sätt, med upp till tusen kondensat som för närvarande kan uppnås. Oavsett vilken teknisk plattform som används, och om dess noder är polaritonkondensat, kallfångade atomer eller supraledande qubits, Möjligheten att ställa in kopplingarna mellan närmaste och närmaste angränsande noder är ett viktigt steg för att simulera faser av kondenserad materia. Eftersom kopplingen mellan polaritonkondensat var fördefinierad av laserexcitationsgeometrin och polaritonvågvektorn, kontroll av kopplingen mellan noderna i en fast gittergeometri förblev svårfångad.

För att tackla denna tekniska utmaning, forskarna föreslog att man skulle använda ett annat svagare lasermönster för att bilda osammanhängande excitonreservoarer som skulle fungera som optiskt präglade potentiella barriärer. I ett experiment, de visade att införandet av en sådan barriär med variabel höjd mellan noder ändrar fasen för den överförda kondensatsignalen på ett exakt och kontrollerat sätt, i slutändan ändrar tecknet på den komplexa kopplingen. I det här arbetet, Skoltech-forskare visade ferromagnetisk, antiferromagnetiska och parade ferromagnetiska faser i polaritonkluster upp 4×4 kondensat.

Skoltech-forskare och första författare, Dr Sergey Alyatkin, noterar:"Dessa resultat uppnåddes på grund av vårt teams hårda och samordnade arbete, vilket gjorde det möjligt för oss att först skapa en unik experimentell uppsättning och använda den för att uppnå dessa spännande resultat. Tillsammans med våra kollegor från Southampton, vi har utvecklat ett sätt att mycket exakt styra den rumsliga excitationsprofilen, vilket tillåter oss att trycka in optiska gitter av polaritonkondensat i nästan vilken godtycklig geometri som helst. Vi implementerade också en homodyn interferometriteknik för in-situ avläsning av de relativa faserna av gitternoderna, som tillåter oss att projicera ett klassiskt snurr (från +1 till -1) för varje motsvarande nod."

Alexis Askitopoulos, senior forskare vid Hybrid Photonics Labs och medförfattare, tillägger:"Våra resultat visar att vi kan ställa in den närmaste granne och nästa närmaste granne interaktioner i vårt polaritongitter. Detta ger oss effektivt kontroll över några av de icke-diagonala elementen i Hamiltonian i vårt system, avsevärt öka antalet konfigurationer som kan simuleras med vår plattform, samt att öppna upp möjligheter för att implementera maskininlärningsprocesser och algoritmer."

Resultatet av ett ständigt fram och tillbaka av människor, prover och idéer mellan Skoltech och Southampton University, den här genomslagskraftiga artikeln fungerar också som en påminnelse om vikten av internationella samarbeten i akademin. I dessa nuvarande dagar av självisolering, de ryska och brittiska grupperna förblir i nära kontakt genom ett veckovis onlineseminarium, där de diskuterar aktuella framsteg och föreslår nyhetssätt att driva sin forskning vidare.

Författarna är övertygade om att resultaten av deras forskning kommer att vara av stort intresse inte bara för de specialister som arbetar inom området polaritonik, men också till den bredare globala fotonik- och optiska datorgemenskapen. Den extrema precisionen av kontrollen över den relativa fasen mellan noder, tillsammans med lättheten, skalbarhet och avstämning av dess helt optiska implementering, tros göra denna utveckling till ett avgörande steg i utvecklingen av högpresterande polaritonsimulatorer, som en dag kan låsa upp den fulla kraften hos optisk datoranvändning.