Forskare vid Hybrid Photonics Laboratories i Skoltech och Southampton (U.K.), i samarbete med Lancaster University (U.K.), har visat en ny optisk metod för att syntetisera konstgjorda kristallstrukturer i fast tillstånd för kavitetspolaritoner med endast laserljus. Resultaten kan leda till realisering av fältprogrammerbara polaritonkretsar och nya strategier för att skapa guidat ljus och robust inneslutning av sammanhängande ljuskällor. Resultaten publicerades nyligen i tidningen Naturkommunikation .

Genom att skapa konstgjorda gitter för kvantpartiklar kan forskare utforska fysik i en miljö som kanske inte konventionellt finns i naturen. Konstgjorda galler är särskilt tilltalande eftersom deras symmetrier ofta leder till exakt lösbara modeller och en transparent förståelse av deras egenskaper. Designa dem, dock, är en utmanande uppgift med begränsad flexibilitet. Material måste vara oåterkalleligt konstruerade för att få jobbet gjort, och även optiska gittertekniker för kalla atomer kan inte producera godtyckliga gitterformer.

Forskarna, Dr Lucy Pickup (Southampton), Dr Helgi Sigurdsson (Southampton och Skoltech), Prof Janne Ruostekoski (Lancaster), och prof Pavlos Lagoudakis (Skoltech och Southampton), övervann denna utmaning genom att utveckla en ny metod för att skapa godtyckligt formade och omprogrammerbara konstgjorda galler med endast strukturerat laserljus. Omprogrammeringen innebar att cavity-polaritonsystemet kunde ändras från ett gitter till ett annat utan det kostsamma behovet av att konstruera ett nytt system från grunden.

När laserljuset träffar en halvledarkvantbrunn, det väcker elektroner och hål, samt bundna tillstånd hos de två som kallas excitoner. När kvantbrunnen placeras mellan två speglar, bilda en fälla (eller en hålighet) för fotonerna, några av excitonpartiklarna klär sig i fotoner, bildar exotiskt halvljus, halvämneskvasipartiklar som kallas exciton-polaritoner eller kavitetspolaritoner.

Exciton-polaritons är interaktiva och studsar ofta av varandra. Dock, de studsar också av normala elektroner, hål och excitoner i bakgrunden. Forskarna visade att genom att applicera laserljus på ett geometriskt strukturerat sätt, exciton-polaritonerna började studsa av de upphetsade elektronerna, hål, och excitoner som följer laserns form. Med andra ord, exciton-polaritonerna började uppleva ett syntetiskt potentiellt landskap präglat av lasern.

De lasergenererade potentiella landskapen känns bara av exciton-polaritonerna och inte fotonerna inuti hålrummet, skiljer systemet från fotoniska kristaller. Genom att skapa ett lasermönster med translationell symmetri, forskarna tog fram den grundläggande signaturen för solid state-system, bildandet av kristallenergiband för exciton-polaritoner som de för elektroner i material i fast tillstånd.

"Resultaten öppnar en väg för att studera dissipativ kvantfysik med många kroppar i en gittermiljö med egenskaper som inte kan reproduceras i normala hermitiska kvantsystem, "Dr Lucy Pickup, artikel medförfattare, säger.

Dr Helgi Sigurdsson tillägger:"Det är en spännande utveckling för det relativt nya området icke-hermitisk topologisk fysik."

De producerade banden kan omkonfigureras genom att helt enkelt justera lasermönstret, tillåter en icke-invasiv metod för att komma åt kvantfysik i konstgjorda galler. Resultaten kan vara användbara i en mängd olika applikationer, inklusive optisk baserad kommunikation, informationsbearbetning, högkänsliga detektorer för biomedicinska ändamål och topologiskt skyddad laser. Resultaten öppnar också en väg för att studera grundläggande mångkroppsgitterfysik i en öppen (icke-hermitisk) kvantmiljö.