Problem i exciton-polariton fysik løst ved hjælp af ny metode

Forskere ved ANU har for nylig vist en ny metode til at generere orbital vinkelmomenttilstande (hvirvler), med en topologisk ladning, der sikres af et ekstraordinært punkt.

Nylige undersøgelser på ANU løser et fremragende problem inden for exciton-polariton fysik, og åbne spændende fremtidige forskningsretninger på området.

Arbejdet fra den tidligere ANU postdoktorforsker Tingge Gao og FLEET -forskere Guangyao Li, Eli Estrecho og Elena Ostrovskaya, sammen med samarbejdspartnere på ANU og internationalt, resulterede i observatioin af exciton-polariton-bølgefunktionen på et særligt punkt i parametrets rum, der er kendt som et 'exceptionelt punkt' (EP).

EP'en udviser en iboende chiralitet eller 'håndethed', som forskerne anvendte til robust at generere hvirvler i en exciton-polariton kvantevæske.

Undtagelsespunkter og lysstofpartikler

Ekstraordinære punkter opstår, når resonanser falder sammen i et system med forstærkning og tab, der resulterer i sammenlægning af de tilsvarende bølgefunktioner.

Som navnet antyder, en EP har kontraintuitiv adfærd og er fokus for nyere intensiv forskning i klassiske systemer som optik, mikrobølgeovne, plasmonik, akustik, og optomekanik.

På grund af EP's utrivelige topologi, sammenlægningen af ​​bølgefunktionerne resulterer i en veldefineret 'handness' (chiralitet).

Imidlertid, denne kiralitet var ikke tidligere blevet påvist i noget kvantesystem. ANU -undersøgelsen var den første demonstration af en sådan kiral tilstand ved en EP i et makroskopisk kvantesystem af kondenserede exciton -polaritoner.

Exciton-polaritons er hybridpartikler, der er delstof og dellys, bundet sammen af ​​stærk kobling inden i halvledermikrohuler, hvor de kan danne et Bose-Einstein-kondensat.

Vigtigere, eksistensen af ​​EP'er og den tilhørende topologiske fase i exciton-polaritoner blev først demonstreret af ANU-gruppen i 2015. Dette resultat banede vejen for yderligere undersøgelser af 'ikke-hermitisk' kvantefysik af exciton-polaritoner, som kan afdække nye driftsprincipper for polariton-baserede enheder.

I polariton-BEC lab på ANU, forskere genererede hvirvelstrømme med fast håndethed (kiralitet) i exciton-polariton kvantevæsker ved omhyggeligt at indstille formen af ​​resonatoren induceret af lys.

Tidligere arbejde fra den samme gruppe viste allerede hvirveldannelse, ved hjælp af den potentielle landskabs chirale form.

I dette nye værk, chiraliteten stammer fra EP's topologi frem for fra det lysinducerede potentiale.

Dette blev opnået ved at køre to resonanser svarende til ikke-chirale dipoltilstande (to fligede) mod hinanden. I nærheden af ​​en EP, interferensen af ​​disse tilstande resulterede i en chiral tilstand, som er en hvirvelstrøm.

Arbejdet demonstrerer en ny metode til generering af orbitale vinkelmomenttilstande med en topologisk ladning, der er beskyttet af EP'ens utrivne topologi.

Forskningen blev ledet af den tidligere ANU -postdoktorforsker Tingge Gao.

Chiralitet af en mode ved en EP er en grundlæggende egenskab for systemer med gevinst og tab (kendt som ikke-hermitiske systemer) og er tidligere blevet demonstreret i klassiske bølger (især i mikrobølgeovn og optiske systemer). ANU -arbejdet markerer den første observation af denne art i et kvantesystem.

Arbejdet åbner op for en spændende fremtidig forskningsretning inden for exciton-polariton fysik:udnyttelsen af ​​ikke-private egenskaber af EP'er inden for et kvantesystem kan føre til endnu mere interessante fremskridt såsom forbedret sansning og topologisk skifte, som hidtil kun er blevet demonstreret i klassiske systemer.

Desuden, arbejdet tilskynder til fremtidige eksperimentelle undersøgelser af ikke-hermitisk fysik, herunder EP-klynge og oprettelse af højere ordens EP'er i et makroskopisk kvantesystem.

Undersøgelsen Chiral modes på ekstraordinære punkter i exciton-polariton kvantevæsker blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve i februar 2018.