Forskere syntetiserer kunstige krystallstrukturer i fast tilstand ved hjælp af laserlys

Forskere ved Hybrid Photonics Laboratories i Skoltech og Southampton (U.K.), i samarbejde med Lancaster University (U.K.), har demonstreret en ny optisk metode til syntetisering af kunstige krystallstrukturer i fast tilstand til hulrumspolitroner ved hjælp af kun laserlys. Resultaterne kan føre til realisering af feltprogrammerbare polariton-kredsløb og nye strategier til at skabe guidet lys og robust indeslutning af sammenhængende lyskilder. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Oprettelse af kunstige gitter til kvantepartikler gør det muligt for forskere at udforske fysik i et miljø, der måske ikke konventionelt findes i naturen. Kunstige gitter er især tiltalende, da deres symmetrier ofte fører til præcist opløselige modeller og en gennemsigtig forståelse af deres egenskaber. Design dem, imidlertid, er en udfordrende opgave med begrænset fleksibilitet. Materialer skal konstrueres irreversibelt for at få arbejdet udført, og selv optiske gitterteknikker til kolde atomer kan ikke producere vilkårlige gitterformer.

Forskerne, Dr. Lucy Pickup (Southampton), Dr. Helgi Sigurdsson (Southampton og Skoltech), Prof Janne Ruostekoski (Lancaster), og prof. Pavlos Lagoudakis (Skoltech og Southampton), overvandt denne udfordring ved at udvikle en ny metode til at skabe vilkårligt formede og omprogrammerbare kunstige gitter ved hjælp af kun struktureret laserlys. Omprogrammeringen betød, at hulrumspolaritonsystemet kunne ændres fra et gitter til et andet uden det dyre behov for at konstruere et nyt system fra bunden.

Når laserlyset rammer en halvlederkvantebrønd, det ophidser elektroner og huller, samt bundne tilstande for de to kendt som excitoner. Når kvantebrønden er placeret mellem to spejle, danner en fælde (eller et hulrum) for fotoner, nogle af excitonpartiklerne klædes i fotoner, danner eksotisk halvlys, halvmasse-kvasipartikler kendt som exciton-polaritoner eller hulrumspolitroner.

Exciton-polaritons er interaktive og hopper ofte fra hinanden. Imidlertid, de hopper også af normale elektroner, huller og excitoner i baggrunden. Forskerne viste, at ved at anvende laserlys på en geometrisk struktureret måde, exciton-polaritonerne begyndte at hoppe af de ophidsede elektroner, huller, og excitoner efter laserens form. Med andre ord, exciton-polaritonerne begyndte at opleve et syntetisk potentielt landskab præget af laseren.

De lasergenererede potentielle landskaber mærkes kun af exciton-polaritoner og ikke fotoner inde i hulrummet, adskiller systemet fra fotoniske krystaller. Ved at oprette et lasermønster med translationel symmetri, forskerne frembragte den grundlæggende signatur af solid-state systemer, dannelsen af ​​krystalenergibånd for exciton-polaritoner som dem for elektroner i materialer i fast tilstand.

"Resultaterne åbner en vej til at studere afledende kvantfysik i mange kroppe i et gittermiljø med egenskaber, der ikke kan gengives i normale hermitiske kvantesystemer, "Dr. Lucy Pickup, medforfatter af artiklen, siger.

Dr. Helgi Sigurdsson tilføjer:"Det er en spændende udvikling for det relativt nye område inden for ikke-hermitisk topologisk fysik."

De producerede bånd kan omkonfigureres ved blot at justere lasermønsteret, tillader en ikke-invasiv metode at få adgang til kvantefysik i kunstige gitter. Resultaterne kan være nyttige i en række forskellige applikationer, herunder optisk baseret kommunikation, informationsbehandling, højfølsomhedsdetektorer til biomedicinske formål og topologisk beskyttet laser. Resultaterne åbner også en vej til at studere grundlæggende mange-kropsgitterfysik i et åbent (ikke-hermitisk) kvantemiljø.