Massive fotoner i et kunstigt magnetfelt

Et internationalt forskningssamarbejde fra Polen, Storbritannien og Rusland har skabt et todimensionalt system-et tyndt optisk hulrum fyldt med flydende krystal-hvor de fangede fotoner. Da egenskaberne i hulrummet blev ændret af en ekstern spænding, fotoner opførte sig som massive kvasipartikler udstyret med et magnetisk øjeblik, kaldet "spin, "under påvirkning af et kunstigt magnetfelt. Forskningen er blevet offentliggjort i Videnskab på fredag, 8. november 2019.

Verden omkring os har en tidsmæssig og tre rumlige dimensioner. Fysikere, der studerer kondenseret stof, har længe beskæftiget sig med systemer med lavere dimensionalitet-todimensionale (2-D) kvanteboringer, endimensionelle (1-D) kvantetråde og nul-dimensionelle (0-D) kvantepunkter. 2-D-systemer har fundet de bredeste tekniske applikationer-det er takket være de reducerede dimensioner, effektive LED'er og laserdioder, hurtige transistorer i integrerede kredsløb, og WiFi -radioforstærkere fungerer. Fangede elektroner i to dimensioner kan opføre sig helt anderledes end frie elektroner. For eksempel, i grafen, en todimensionel kulstofstruktur med bikage symmetri, elektroner opfører sig som masseløse objekter, dvs. lette partikler kaldet fotoner.

Elektroner i en krystal interagerer med hinanden og med krystalgitteret, skabe et komplekst system, hvis beskrivelse er mulig takket være introduktionen af ​​begrebet såkaldte kvasipartikler. Egenskaber ved disse kvasipartikler, inklusive elektrisk ladning, magnetisk moment og masse, afhænger af krystallets symmetri og dens rumlige dimension. Fysikere kan skabe materialer med reducerede dimensioner, opdager "kvasi-universer" fulde af eksotiske kvasipartikler. Den masseløse elektron i todimensionel grafen er et sådant eksempel.

Disse opdagelser inspirerede forskere fra University of Warsaw, det polske militære teknologiske universitet, Institut for Fysik ved det polske videnskabsakademi, University of Southampton og Skolkovo Institute nær Moskva, at studere lys fanget i todimensionelle strukturer-optiske hulrum.

Forfatterne af Videnskab papir skabte et optisk hulrum, hvor de fangede fotoner mellem to spejle. Den oprindelige idé var at fylde hulrummet med et flydende krystalmateriale, der fungerer som et optisk medium. Under påvirkning af en ekstern spænding, molekyler af dette medium kan rotere og ændre den optiske sti -længde. På grund af dette, det var muligt at skabe stående lysbølger i hulrummet, hvis energi (vibrationsfrekvens) var anderledes, da bølgens elektriske felt (polarisering) blev rettet hen over molekylerne og forskelligt for polarisering langs deres akse (dette fænomen kaldes optisk anisotropi).

Under undersøgelsen, gennemført ved universitetet i Warszawa, den unikke adfærd for fotoner fanget i hulrummet blev fundet, da de opførte sig som massebærende kvasipartikler. Sådanne kvasipartikler er blevet observeret før, men de var svære at manipulere, fordi lyset ikke reagerer på elektriske eller magnetiske felter. Denne gang, det blev bemærket, at efterhånden som den optiske anisotropi af flydende krystalmaterialet i hulrummet blev ændret, de fangede fotoner opførte sig som kvasipartikler udstyret med et magnetisk øjeblik, eller et "spin" i et "kunstigt magnetfelt". Polarisering af den elektromagnetiske bølge spillede rollen som "spin" for lys i hulrummet. Lysets adfærd i dette system er lettest at forklare ved hjælp af analogien af ​​elektroners adfærd i kondenseret stof.

Ligningerne, der beskriver bevægelsen af ​​fotoner fanget i hulrummet, ligner elektroners bevægelsesligninger med spin. Derfor, det var muligt at bygge et fotonisk system, der perfekt efterligner elektroniske egenskaber og fører til mange overraskende fysiske effekter, såsom topologiske lystilstande.

Opdagelsen af ​​nye fænomener i forbindelse med indfangning af lys i optisk anisotropiske hulrum kan muliggøre implementering af nye optoelektroniske enheder, f.eks. optiske neurale netværk og udføre neuromorfe beregninger. Der er et særligt løfte om udsigten til at skabe en unik kvantetilstand af materie - Bose Einstein -kondensatet. Et sådant kondensat kan bruges til kvanteberegninger og simuleringer, løse problemer, der er for vanskelige for moderne computere. De undersøgte fænomener åbner nye muligheder for tekniske løsninger og yderligere videnskabelige opdagelser.