Forskare från Skoltech och University of Southampton, STORBRITANNIEN., har använt heloptiska metoder för att skapa ett artificiellt gitter vars noder rymmer polaritoner-kvasipartiklar som är halvljus- och halvämnesexitationer i halvledare. Detta så kallade Lieb-galler, som vanligtvis inte förekommer i naturen, gjorde det möjligt för teamet att visa genombrottsresultat som är viktiga för kondensmaterialets fysik. Ur ett applikationsperspektiv, det lasergenererade polaritongittret, redovisas i Naturkommunikation , kan användas för design av nästa generations enheter som optiska datorer som är beroende av dispersionshantering och guidat ljus.

I den starka lätt-materia-kopplingsregimen, elektroniska excitationer i en halvledare placerad mellan två speglar som bildar en mikrokavitet blir starkt påverkade av fotonerna som fångas inuti. Detta ger upphov till nya kvantlägen som kallas exciton-polaritoner, eller bara polaritoner för kort. De möjliggör studiet av hybrid materia-våg och fotoniska fenomen i mikroskala. Under rätt förutsättningar, polaritoner kan bilda sammanhängande mångkroppstillstånd i materia som liknar Bose-Einstein-kondensat, ger tillgång till exotiskt dissipativ olinjär dynamik.

Forskarna bestämde sig för att utforska hur dessa kondensat beter sig i konstgjorda optiska gitter som vanligtvis inte finns i naturen. För detta använde de en programmerbar rumslig ljusmodulator för att forma en laserstråle till ett galler inuti hålrummet, inte olikt laserpekarlocken för att projicera snygga mönster på avlägsna ytor. De genererade polaritonerna både ökade i antal och blev mer energiska där laserfältet var som mest intensivt. Med tillräckligt hög lasereffekt, polaritonerna började bilda kondensat som låg på gitterets potentiella maxima. I denna så kallade ballistiska regim, högenergipolaritonvågor som flyr ut kondensatet spridda och diffrakterade över gittret.

Forskarna observerade att när gitterkonstanten minskade, kondensaten genomgick en fasövergång från den ballistiska regimen till det motsatta fallet med djupt infångade kondensat som nu finns i gittrets potentiella minima. Vid mellanliggande gitterkonstanter, systemet verkade inte kunna "bestämma" om polaritonvågorna skulle delokaliseras eller lokaliseras, och istället sprängs kondensaten över flera energier. En sådan övergång hade aldrig tidigare observerats i polaritongitter.

Forskarna visade sedan att de kunde producera en av de mest exotiska egenskaperna i fasta tillståndets fysik - helt dispersionsfria kristallband, även känd som plattband - där partikelmassan blir effektivt oändlig. För detta designade de ett optiskt Lieb-galler, som inte finns i naturen, som är känd för att ha flatbands.

Studien som rapporterades i denna berättelse var medförfattare av unga forskare från Hybrid Photonics Lab under ledning av professor Pavlos Lagoudakis, som gav följande kommentar om teamets resultat:"Vårt labb har utvecklat stor expertis inom optiska gitter av polaritonkondensat, och med detta arbete har vi tagit ytterligare ett steg framåt. Dessa resultat kommer att vara av stort intresse för ett brett vetenskapligt samhälle som spänner över olinjär optik, den kondenserade materiens fysik, kalla atomer, ljus-materia fysik, och polaritonik. Detta är den första demonstrationen av icke-triviala faser av materia och flatbandsteknik i optiskt genererade polaritongitter. Tidigare, flatbandstillstånd i polaritonsystem hade bara visats i litografiskt skrivna strukturer."

Tidningens första författare, experimentell fysiker Dr. Sergey Alyatkin från Skoltech, och hans kollega, teoretisk fysiker Dr Helgi Sigurdsson från University of Southampton, Lagt till, "Vårt arbete är en mycket trevlig demonstration av framstegen inom optisk kontroll och rikedom inom området polaritonik. Ju mer vi studerar mikrokavitetspolaritoner i gitter, desto mer intressanta effekter observerar vi. Våra senaste resultat har öppnat en väg till outforskad fysik av icke-stationära gitterblandningar av materia-våg kvasipartiklar, och vi begränsar oss inte till en specifik typ av undersökt gitter. "