Fysikere lavede krystalgitter af polaritoner

Et internationalt forskerhold producerede en analog af et solid-body krystal gitter fra polaritoner, hybrid foton-elektron kvasipartikler. I det resulterende polaritongitter, visse partiklers energi afhænger ikke af deres hastighed. På samme tid, gitterets geometri, partikelkoncentration og polarisationsegenskaber kan stadig ændres. Dette åbner op for nye perspektiver for studiet af kvanteeffekter og brugen af ​​optisk databehandling. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Et fast legeme er dannet omkring et krystalgitter dannet af atomkerner. Gittergeometri kan påvirke forholdet mellem en partikels energi og hastighed. Gitter er opdelt i flere slags efter deres geometriske egenskaber. Nogle af dem, såsom Lieb gitteret, har såkaldte flade bånd:en tilstand, hvor partikler slet ikke viser nogen energi-hastighedsrelation. Fra et formelt synspunkt, partikler i flade bånd har uendelig effektiv masse.

Flade bånd er af stor interesse for grundlæggende videnskab. De bruges til at studere superledere, ferromagneter og andre kvantefaser i elektroner. Imidlertid, kvantefaser kan også observeres i lette elementarpartikler - fotoner. Dette kræver at skabe en såkaldt fotonisk krystal med justerbar geometri, en kunstig fotonisk analog af et fast legeme. Sådanne forhold gør det muligt for forskere at observere og håndtere forskellige kvanteegenskaber af partikler meget lettere.

Fysikere fra ITMO University og University of Sheffield har skabt en fotonisk analog af et Lieb-gitter og bekræftet, at kvanteeffekter i en fotonisk struktur faktisk er stærkere. "Strengt taget, vi havde at gøre med polaritoner snarere end fotoner, " forklarer Dmitry Kryzhanovsky, seniorforsker ved ITMO University og professor ved University of Sheffield. "Denne hybridtilstand opstår, når exciterede elektroner blandes med fotoner. Sådanne hybridpartikler interagerer med hinanden, meget ligesom elektroner gør i et fast legeme. Vi brugte polaritoner til at skabe et krystalgitter og studerede deres nye egenskaber. Nu ved vi, hvordan polaritoner kondenserer i flade bånd, hvordan deres interaktion bryder strålingssymmetrien og hvordan deres spin- eller polarisationsegenskaber ændrer sig."

Da polaritoner opretholder deres spin-rotation kontinuerligt, forskere er nu i stand til at observere polarisering i lang tid. Desuden, nem kontrol over polaritonkoncentrationen i gitteret giver flere muligheder for præcis styring af systemet.

"Fra et grundlæggende synspunkt, polaritonkrystaller er interessante ved, at de giver et stort udvalg af kvantefaser og effekter, som vi ikke kan studere i standardkrystaller, " siger Ivan Shelykh, leder af International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems ved ITMO University. "Polarisering kan fungere som et informationslagerelement. Alle beregninger er baseret på et binært system. Der skal være 0 og 1, så for at implementere optisk databehandling har vi brug for to tilsvarende tilstande. Polarisering, højre og venstre, med en række mellemkombinationer, er en ideel kandidat til informationsbehandling på kvanteniveau."

Et stort bidrag til skabelsen og undersøgelsen af ​​polariton-krystalgitteret blev ydet af personale fra University of Sheffield. Professor Maurice Skolnick fra Sheffield leder et megagrant-projekt om hybride lystilstande sammen med Ivan Shelykh. "Alle eksperimenter blev udført i Sheffield, mens teoretisk modellering og analyse af resultaterne blev udført på ITMO University, " siger Shelykh. "Jeg betragter dette arbejde som et godt eksempel på, hvordan videnskab skal se ud. Resultater af et eksperiment er uforståelige, når de offentliggøres uden nogen fortolkning. Tilsvarende rå teori ved hjælp af urealistiske parametre er svær at anvende i praksis. Men her kombinerede vi teori med eksperimenter - og vi planlægger at blive ved med at gøre det på denne måde. Vores næste mål er at opnå og undersøge de topologiske grænsebetingelser for et sådant gitter."