Förståelsen av kvantfysik har inneburit skapandet av ett brett spektrum av kvasipartiklar. Dessa teoretiska konstruktioner beskriver framväxande fenomen som verkar ha egenskaperna hos flera andra partiklar blandade tillsammans.

En exciton, till exempel, är en kvasipartikel som fungerar som en elektron bunden till ett elektronhål, eller det tomma utrymmet i ett halvledande material där en elektron kan finnas. Ett steg längre, en exciton-polariton kombinerar egenskaperna hos en exciton med egenskaperna hos en foton, får det att bete sig som en kombination av materia och ljus. Att uppnå och aktivt kontrollera rätt blandning av dessa egenskaper – såsom deras massa, fart, rörelseriktning och förmåga att starkt interagera med varandra - är nyckeln till att tillämpa kvantfenomen på teknik, som datorer.

Nu, forskare vid University of Pennsylvanias School of Engineering and Applied Science är de första att skapa en ännu mer exotisk form av exciton-polariton, en som har ett definierat kvantspinn som är låst till sin rörelseriktning. Beroende på riktningen för deras spin, dessa spiralformade topologiska exciton-polaritoner rör sig i motsatta riktningar längs ytan av en lika specialiserad typ av topologisk isolator.

I en studie publicerad i tidskriften Vetenskap , de har visat detta fenomen vid temperaturer som är mycket varmare än den nästan absoluta noll som vanligtvis krävs för att upprätthålla denna typ av kvantfenomen. Möjligheten att dirigera dessa kvasipartiklar baserat på deras spin under mer användarvänliga förhållanden, och en miljö där de inte sprids tillbaka, öppnar upp möjligheten att använda dem för att överföra information eller utföra beräkningar med oöverträffade hastigheter.

Studien leddes av Ritesh Agarwal, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik, och Wenjing Liu, en postdoktor i sitt labb. De samarbetade med forskare från Hunan University och George Washington University.

Studien visar också en ny typ av topologisk isolator, en klass av material som utvecklats på Penn av Charles Kane och Eugene Mele som har en ledande yta och en isolerande kärna. Topologiska isolatorer är uppskattade för sin förmåga att sprida elektroner på sin yta utan att sprida dem, och samma idé kan utvidgas till kvasipartiklar som fotoner eller polaritoner.

"Att ersätta elektroner med fotoner skulle ge ännu snabbare datorer och annan teknik, men fotoner är väldigt svåra att modulera, rutt eller byte. De kan inte transporteras runt skarpa svängar och läcker ut ur vågledaren, " Agarwal säger. "Det är här topologiska exciton-polaritoner kan vara användbara, men det betyder att vi måste göra nya typer av topologiska isolatorer som kan arbeta med polaritoner. Om vi ​​kunde göra den här typen av kvantmaterial, vi kunde dirigera exciton-polaritoner längs vissa kanaler utan någon spridning, samt modulera eller koppla om dem via externt applicerade elektriska fält eller genom små temperaturförändringar."

Agarwals grupp har skapat flera typer av fotoniska topologiska isolatorer tidigare. Medan den första "kirala" polariton topologiska isolatorn rapporterades av en grupp i Europa, den fungerade vid extremt låga temperaturer samtidigt som den krävde starka magnetfält. Den saknade delen, och skillnaden mellan "kiral" och "spiralformad" i detta fall, var förmågan att styra flödesriktningen via kvasipartiklarnas spinn.

"För att skapa den här fasen, vi använde en atomärt tunn halvledare, volframdisulfid, som bildar mycket hårt bundna excitoner, och kopplade den starkt till en korrekt designad fotonisk kristall via symmetriteknik. Detta inducerade icke-trivial topologi till de resulterande polaritonerna, " Agarwal säger. "I gränssnittet mellan fotoniska kristaller med olika topologi, vi visade genereringen av spiralformade topologiska polaritoner som inte spreds vid skarpa hörn eller defekter, samt spinnberoende transport."

Agarwal och hans kollegor genomförde studien vid 200K, eller ungefär -100F utan behov av att applicera några magnetiska fält. Även om det verkar kallt, det är betydligt varmare – och lättare att uppnå – än liknande system som arbetar vid 4K, eller ungefär -450F.

De är övertygade om att ytterligare forskning och förbättrade tillverkningstekniker för deras halvledarmaterial lätt kommer att tillåta deras design att fungera vid rumstemperatur.

"Från en akademisk synvinkel, 200K är redan nästan rumstemperatur, så små framsteg i materialrenhet skulle lätt kunna driva den till att arbeta under omgivande förhållanden, " säger Agarwal. "Atomiskt tunn, "2-D" material bildar mycket starka excitoner som överlever rumstemperatur och längre, så vi tror att vi bara behöver små modifieringar av hur våra material är sammansatta."

Agarwals grupp arbetar nu med att studera hur topologiska polaritoner interagerar med varandra, vilket skulle föra dem ett steg närmare att använda dem i praktiska fotoniska enheter.