Forskare från Skoltech och University of Cambridge har visat att polaritoner, de udda partiklarna som kan komma att köra framtidens kvantsuperdatorer, kan bilda strukturer som beter sig som molekyler - och dessa "konstgjorda molekyler" kan potentiellt konstrueras på begäran. Uppsatsen som beskriver dessa resultat publicerades i tidskriften Fysisk granskning B .

Polaritoner är kvantpartiklar som består av en foton och en exciton, en annan kvasipartikel, att förena ljus och materia i en nyfiken förening som öppnar en mängd möjligheter i nästa generations polaritoniska enheter. Alexander Johnston, Kirill Kalinin och Natalia Berloff, professor vid Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials och University of Cambridge, har visat att geometriskt kopplade polariton kondenserar, som förekommer i halvledarenheter, kan simulera molekyler med olika egenskaper.

Vanliga molekyler är grupper av atomer bundna med molekylära bindningar, och deras fysikaliska egenskaper skiljer sig från de hos deras ingående atomer ganska drastiskt:tänk på vattenmolekylen, H2O, och elementärt väte och syre. "I vårt arbete, vi visar att kluster av interagerande polaritoniska och fotoniska kondensat kan bilda en rad exotiska och helt distinkta enheter - "molekyler" - som kan manipuleras på konstgjord väg. Dessa "konstgjorda molekyler" har nya energitillstånd, optiska egenskaper, och vibrationslägen från kondensaten som består av dem, "Johnston, vid University of Cambridge Institutionen för tillämpad matematik och teoretisk fysik, förklarar.

När forskare körde numeriska simuleringar av två, tre, och fyra interagerande polaritonkondensat, de märkte några konstiga asymmetriska stationära tillstånd där inte alla kondensat har samma densitet i sitt grundtillstånd. "Vid ytterligare utredning, vi fann att sådana tillstånd kom i en mängd olika former, som skulle kunna styras genom att manipulera vissa fysiska parametrar i systemet. Detta fick oss att föreslå sådana fenomen som "artificiella polaritonmolekyler" och att undersöka deras potentiella användningsområden i kvantinformationssystem, " säger Johnston.

Särskilt, teamet fokuserade på en "asymmetrisk dyad, " som består av två interagerande kondensat med ojämlika yrken. När två av dessa dyader kombineras till en tetradstruktur, det senare är, på något vis, analogt med en homonukleär molekyl - till exempel, till molekylärt väte H2. Vidare, artificiella polaritonmolekyler kan också bilda mer utarbetade strukturer, som skulle kunna ses som "konstgjorda polaritonföreningar".

"Det finns inget som hindrar mer komplexa strukturer från att skapas. i vårt arbete har vi funnit att det finns ett brett utbud av exotiska, asymmetriska tillstånd möjliga i tetrad-konfigurationer. I några av dessa, alla kondensat har olika densitet (trots att alla kopplingar är lika starka), uppmanar en analogi med kemiska föreningar, "Noterar Alexander Johnston.

I specifika tetradstrukturer, varje asymmetrisk dyad kan ses som en individuell "spin, " definieras av orienteringen av densitetsasymmetrin. Detta har intressanta konsekvenser för systemets frihetsgrader (de oberoende fysiska parametrar som krävs för att definiera tillstånd); "snurrarna" introducerar en diskret frihetsgrad, utöver de kontinuerliga frihetsgraderna som ges av kondensatfaserna.

Den relativa orienteringen av var och en av dyaderna kan kontrolleras genom att variera kopplingsstyrkan mellan dem. Eftersom kvantinformationssystem potentiellt kan ha ökad noggrannhet och effektivitet om de använder något slags hybrid diskret-kontinuerligt system, laget föreslog därför denna hybrid tetradstruktur som en potentiell grund för ett sådant system.

"Dessutom, vi har upptäckt en uppsjö av exotiska asymmetriska tillstånd i triad- och tetradsystem. Det är möjligt att sömlöst övergå mellan sådana tillstånd helt enkelt genom att variera pumpstyrkan som används för att bilda kondensaten. Denna egenskap antyder att sådana tillstånd skulle kunna utgöra grunden för ett polaritoniskt flervärdigt logiksystem, som skulle kunna möjliggöra utvecklingen av polaritoniska enheter som avger betydligt mindre kraft än traditionella metoder och, potentiellt, arbeta i storleksordningar snabbare, " säger professor Berloff.