System för kondenserad materia och fotonisk teknologi används regelbundet av forskare för att skapa mikroskalaplattformar som kan simulera den komplexa dynamiken hos många interagerande kvantpartiklar i en mer tillgänglig miljö. Några exempel inkluderar ultrakalla atomensembler i optiska gitter, supraledande arrayer och fotoniska kristaller och vågledare. 2006 dök en ny plattform upp med demonstration av makroskopiskt koherenta kvantvätskor av exciton-polaritoner för att utforska kvantfenomen i många kroppar genom optiska tekniker.
När ett stycke halvledare placeras mellan två speglar - en optisk mikroresonator - kan de elektroniska excitationerna inuti bli starkt påverkade av fotoner som fångas mellan speglarna. De resulterande nya bosoniska kvantpartiklarna, kända som exciton-polaritoner (eller förkortade polaritoner), kan under rätt omständigheter genomgå en fasövergång till ett Bose-Einstein-kondensat som inte är jämvikt och bilda en makroskopisk kvantvätska eller en droppe ljus.
Kvantvätskor av polaritoner har många framträdande egenskaper, en är att de är optiskt konfigurerbara och läsbara, vilket möjliggör enkla mätningar av polaritondynamiken. Det är detta som gör dem så fördelaktiga att simulera många kroppsfysik.
Polariton-kondensat måste kontinuerligt pumpas optiskt med externa lasrar för att fylla på partiklar, annars försvinner kondensatet inom pikosekunder. Men ju hårdare du pumpar kondensatet, desto mer energiskt blir det på grund av frånstötande interpartikelkrafter, vilket leder till att partiklar flyr ut kondensatet och efterföljande sönderfall av rumsliga korrelationer.
Detta är ett grundläggande problem för optiskt programmerbara polaritonsimulatorer. Forskare behövde komma på ett sätt att göra kondensatet mer stabilt och långlivat samtidigt som det pumpas optiskt.
Forskare från CNR Nanotec i Lecce och fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa uppnådde detta mål med hjälp av en ny generation av fotoniska halvledargitter. I deras artikel med titeln "Reconfigurable quantum fluid molecules of bound states in the continuum", publicerad i Nature Physics , använde de subvåglängdsegenskaper hos det fotoniska gittret för att ge polaritonerna nya egenskaper.
Först kunde polaritonerna drivas att kondensera till ett ultralångt livstidstillstånd känt som ett bundet tillstånd i kontinuum (BIC). Det fascinerande med BIC:er är att de för det mesta är icke-strålande på grund av symmetriförstärkt skydd från det yttre kontinuumet av fotoniska lägen.
För det andra erhöll polaritonerna en negativ effektiv massa på grund av spridningsförhållandet som kommer från gittret. Detta innebar att de pumpade polaritonerna inte längre kunde fly så lätt genom normala sönderfallskanaler. Nu hade forskarna polaritonvätskor som både var extremt långlivade och säkert inneslutna med enbart optiska tekniker.
Tillsammans tillät dessa mekanismer Antonio Gianfrate och Danielle Sanvitto vid CNR Nanotec i Lecce att optiskt pumpa flera polaritondroppar som kunde interagera och hybridisera till makroskopiska komplex. De skulle kunna skräddarsy och reversibelt konfigurera molekylära arrangemang och kedjor med hjälp av denna nya form av konstgjorda atomer:kondensat av negativ massa BIC-polaritoner.
BIC-egenskapen gav polaritoner mycket längre livslängder, medan den negativa massegenskapen gjorde att de blev optiskt fångade. Fynden stöddes av en BIC Dirac-polariton teori utvecklad mellan Helgi Sigurdsson (Universitetet i Warszawa), Hai Chau Nguyen (Universitetet i Siegen, Tyskland) och Hai Son Nguyen (Univ Lyon, Frankrike).
Den ultimata fördelen med plattformen är att de artificiella kvantkomplexen kan programmeras helt optiskt, men de behåller mycket långa livslängder på grund av deras skydd mot kontinuumet. Detta kan leda till en ny satsning på optiskt programmerbara storskaliga kvantvätskor som definieras av oöverträffade koherensskalor och stabilitet för strukturerad olinjär lasring och polaritonbaserad simulering av komplexa system.
"Det finns fortfarande flera intressanta sätt att utforska i detta artificiella polaritoniska Dirac-system. Som ett exempel är kopplingsmekanismen mellan polaritondroppar längs och vinkelrätt mot gitterriktningen väldigt olika. Längs vågledaren är polaritoner effektivt negativa masspartiklar starkt bundna till deras pumpplats."
"Vinrätt mot vågledaren rör de sig som positiva masspartiklar som genomgår ballistisk transport. Blandningen av dessa två mekanismer öppnar ett nytt fönster för att titta på framväxande beteenden av synkronisering och mönsterbildning i strukturerade polaritonkvantvätskor", avslutar Helgi Sigurðsson från fakulteten för fakulteten. Fysik, Warszawas universitet.
Mer information: Antonio Gianfrate et al, Rekonfigurerbara kvantvätskemolekyler av bundna tillstånd i kontinuumet, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02281-3
Tillhandahålls av University of Warszawa
