Med hjälp av interferens mellan två lasrar har en forskargrupp ledd av forskare från RIKEN och NTT Research skapat ett "optiskt transportband" som kan flytta polaritoner - en typ av hybridpartiklar av lätt materia - i halvledarbaserade mikrohåligheter. Detta arbete kan leda till utvecklingen av nya enheter med applikationer inom områden som kvantmetrologi och kvantinformation.
För den aktuella studien, publicerad i Nature Photonics , använde forskarna interferensen mellan två lasrar för att skapa ett dynamiskt potentiellt energilandskap – föreställ dig ett landskap av dalar och kullar, i konstant upprepande rörelse – för ett sammanhängande, laserliknande tillstånd av polaritoner som kallas polaritonkondensat.
De uppnådde detta genom att introducera ett nytt optiskt verktyg – ett optiskt transportband – för att möjliggöra kontroll av energilandskapet, konkret, gitterdjupen och interaktionen mellan närliggande partiklar.
Genom att ytterligare ställa in frekvensskillnaden mellan de två lasrarna, rör sig transportbandet med hastigheter i storleksordningen 0,1 % av ljusets hastighet, vilket driver polaritonerna till ett nytt tillstånd.
Icke-reciprocitet - ett fenomen där systemdynamiken är olika i motsatta riktningar - är en avgörande ingrediens för att skapa vad som kallas en artificiell topologisk fas av materia. Topologi är den matematiska klassificeringen av objekt genom att räkna antalet "hål", t.ex. kan en munk eller en knut ha ett begränsat antal hål, medan en boll inte har några.
Kvantmaterial kan också konstrueras med en topologi som inte är noll, som i det här fallet är mer abstrakt inbäddad i bandstrukturen. Sådana material kan uppvisa beteenden såsom avledningsfri transport, vilket innebär att de kan röra sig utan energiförlust, och andra exotiska kvantfenomen.
Det är extremt utmanande att införa icke-ömsesidighet i konstruerade optiska plattformar, och denna enkla, utbyggbara experimentella demonstration öppnar nya möjligheter för framväxande kvantteknologier som inkluderar funktionell topologi.
Forskargruppen, inklusive försteförfattaren Yago del Valle Inclan Redondo, och ledd av seniorforskaren Michael Fraser, båda från RIKEN CEMS och NTT Research, har tillsammans med medarbetare från Tyskland, Singapore och Australien genomfört en studie i denna riktning.
Fraser säger, "Vi har skapat ett topologiskt tillstånd av ljus i en halvledarstruktur genom en mekanism som involverar snabb modulering av energilandskapet, vilket resulterar i införandet av en syntetisk dimension."
En syntetisk dimension är en metod för att kartlägga en icke-spatial dimension, i detta fall tid, till en rumsliknande dimension, så att systemdynamiken kan utvecklas i ett högre antal dimensioner och bli bättre lämpad för att realisera topologisk materia.
Detta arbete sträcker sig över en teknik utvecklad av gruppen, publicerad förra året, som på liknande sätt använde temporärt modulerade lasrar för att driva den snabba rotationen av polaritonkondensat.
Genom att använda detta enkla experimentella schema som involverade interferens mellan två lasrar, kunde forskarna organisera polaritoner i exakt rätt dimensioner för att skapa en artificiell bandstruktur, vilket innebär att partiklarna organiserade sig i energiband som elektroner i ett material.
Genom att ställa in dimensionerna, djupet och hastigheten för det optiska polaritongittret uppnås kontroll över bandstrukturen. Tack vare denna snabba rörelse ser polaritonerna ett annat potentiellt energilandskap beroende på om de fortplantar sig med eller mot flödet av gittret, en effekt som är analog med dopplerskiftet för ljud.
Detta asymmetriska svar från de begränsade polaritonerna bryter tids-reverseringssymmetri, driver icke-reciprocitet och bildandet av en topologisk bandstruktur.
"Fotoniska tillstånd med topologiska egenskaper kan användas i avancerade opto-elektroniska enheter där topologi kan avsevärt förbättra prestandan hos optiska enheter, kretsar och nätverk, till exempel genom att minska brus och laserströskeleffekter och förlustfri optisk vågledning.
"Vidare öppnar enkelheten och robustheten i vår teknik nya möjligheter för utveckling av topologiska fotoniska enheter med tillämpningar inom kvantmetrologi och kvantinformation", avslutar Fraser.
Mer information: Yago del Valle Inclan Redondo et al, Icke-reciproka bandstrukturer i en exciton–polariton Floquet optiskt gitter, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01424-z
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av RIKEN
