Varför interagerar tvådimensionella exciton-polaritoner? Exciton-polariton kvasipartikeln är delvis ljus (foton), och delmaterial (exciton). Deras excitoniska (materia) del ger dem förmågan att interagera med andra partiklar, en egenskap som saknar att blotta fotoner.

I teorin, när den är begränsad till endast två dimensioner, långsam, kylda excitoner bör upphöra med all interaktion med varandra. Men i praktiken, detta beteende observeras inte med exciton-polaritoner. I en ny studie, FLEET-forskare vid Monash University upptäckte att svaret ligger i de "ljusliknande" egenskaperna hos dessa kvasipartiklar. Detta har potentiella tillämpningar vid användning av polaritoner i atomärt tunna halvledare, såsom ultralågenergielektronik.

Förbättrad interaktion genom stark ljus-materia-koppling

"Vi sökte svar på en grundläggande fråga om exciton-polaritoner som inte ställts tidigare, " förklarar huvudförfattaren Dr. Olivier Bleu. "Om polaritoner lever i två dimensioner, varför sker inte försvinnandet av deras interaktioner vid låga hastigheter i experiment, som förutspått av kvantspridningsteorin?"

Teamet visade att den starka kopplingen mellan excitoner och fotoner, tillsammans med det enorma massförhållandet exciton-foton, modifierar spridningsbeteendet som förväntas för "blotta" tvådimensionella excitoner och antyder att polaritoninteraktioner förblir ändliga.

"Mer exakt, vi visade att regimen där interaktionerna skulle försvinna inte är observerbar eftersom det skulle kräva ett prov som är mycket större än det kända universum, " förklarar medförfattaren Dr. Jesper Levinsen.

Resultaten visar att polaritoner interagerar mer än excitoner, vilket står i kontrast med det vanliga antagandet om dessa nyckelkvasipartiklar. "Detta arbete kastar nytt ljus över interaktionerna mellan hybrid ljus-materia kvasipartiklar, och kommer att tillåta oss att fördjupa vår förståelse av dessa system, " säger motsvarande författare A/Prof Meera Parish.

Kvasipartiklar som är både ljus och materia

Exciton-polaritoner bildas när excitoner (elektron-hålspar) är starkt kopplade med ljus (fotoner) fångat i en optisk kavitet. Denna "delade personlighet" ger exciton-polariton unika egenskaper, tar några av ljusets egenskaper och några av materiens egenskaper.

Deras förmåga att interagera är kärnan i en mängd fascinerande fenomen som kan observeras i experiment och fortfarande inte helt förstås, inklusive polariton Bose-Einstein kondensation, superfluiditet och kvantoptiska effekter.

"Polariton-interaktioner i mikrohålrum med atomärt tunna halvledarskikt" publicerades i Physical Review Research i november 2020.

Studien genomfördes i Dr. Jesper Levinsen och A/Prof Meera Parishs grupp vid Monash University, som undersöker beteendet hos stora grupper av interagerande kvantpartiklar som uppvisar exotiskt beteende, såsom överflöde, där de flyter utan att stöta på motstånd.

Detta arbete utökar den grundläggande kunskapen om kvantfysik i system som sträcker sig från kalla atomära gaser till halvledare i fast tillstånd, och har potential att stödja en ny generation nära-noll-motstånd, elektroniska enheter med ultralåg energi.