Ingeniører skaber spiralformede topologiske exciton-polaritoner, en ny type quasiparticle

Forståelsen af ​​kvantefysik har involveret oprettelsen af ​​en bred vifte af kvasipartikler. Disse fiktive konstruktioner beskriver nye fænomener, der ser ud til at have egenskaberne af flere andre partikler blandet sammen.

En exciton, for eksempel, er en kvasipartikel, der fungerer som en elektron bundet til et elektronhul, eller det tomme rum i et halvledende materiale, hvor en elektron kunne være. Et skridt videre, en exciton-polariton kombinerer egenskaberne af en exciton med en foton, får det til at opføre sig som en kombination af stof og lys. Opnåelse og aktiv kontrol af den rigtige blanding af disse egenskaber - såsom deres masse, hastighed, bevægelsesretning og evne til stærkt at interagere med hinanden - er nøglen til at anvende kvantefænomener på teknologi, ligesom computere.

Nu, forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science er de første til at skabe en endnu mere eksotisk form af exciton-polariton, en, der har et defineret kvantespin, der er låst til dens bevægelsesretning. Afhængigt af retningen af ​​deres spin, disse spiralformede topologiske exciton-polaritoner bevæger sig i modsatte retninger langs overfladen af ​​en lige så specialiseret type topologisk isolator.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , de har demonstreret dette fænomen ved temperaturer, der er meget varmere end det næsten absolutte nul, der normalt kræves for at opretholde denne form for kvantefænomen. Evnen til at dirigere disse kvasipartikler baseret på deres spin i mere brugervenlige forhold, og et miljø, hvor de ikke spredes tilbage, åbner muligheden for at bruge dem til at overføre oplysninger eller udføre beregninger med hidtil usete hastigheder.

Undersøgelsen blev ledet af Ritesh Agarwal, professor i Institut for Materialevidenskab og Teknik, og Wenjing Liu, en postdoktor i sit laboratorium. De samarbejdede med forskere fra Hunan University og George Washington University.

Undersøgelsen viser også en ny type topologisk isolator, en klasse af materialer udviklet på Penn af Charles Kane og Eugene Mele, der har en ledende overflade og en isolerende kerne. Topologiske isolatorer er værdsat for deres evne til at formere elektroner på deres overflade uden at sprede dem, og den samme idé kan udvides til kvasipartikler såsom fotoner eller polaritoner.

"Udskiftning af elektroner med fotoner ville give endnu hurtigere computere og andre teknologier, men fotoner er meget svære at modulere, rute eller switch. De kan ikke transporteres rundt skarpe sving og lækker ud af bølgelederen, "Agarwal siger." Det er her topologiske exciton-polaritoner kan være nyttige, men det betyder, at vi skal lave nye typer topologiske isolatorer, der kan arbejde med polaritoner. Hvis vi kunne lave denne type kvantemateriale, vi kunne føre exciton-polaritoner langs bestemte kanaler uden spredning, samt modulere eller skifte dem via eksternt påførte elektriske felter eller ved små temperaturændringer. "

Agarwals gruppe har tidligere skabt flere typer fotoniske topologiske isolatorer. Mens den første "kirale" polariton topologiske isolator blev rapporteret af en gruppe i Europa, det fungerede ved ekstremt lave temperaturer, samtidig med at det krævede stærke magnetfelter Det manglende stykke, og skelnen mellem "chiral" og "spiralformet" i dette tilfælde, var evnen til at kontrollere strømningsretningen via kvasipartiklernes spin.

"For at skabe denne fase, vi brugte en atomtynd halvleder, wolfram disulfid, som danner meget tæt bundne excitoner, og koblede det stærkt til en korrekt designet fotonisk krystal via symmetri -teknik. Dette fremkaldte utrivelig topologi til de resulterende polaritoner, "Agarwal siger." Ved grænsefladen mellem fotoniske krystaller med forskellig topologi, vi demonstrerede dannelsen af ​​spiralformede topologiske polaritoner, der ikke spredte sig i skarpe hjørner eller defekter, samt spin-afhængig transport. "

Agarwal og hans kolleger gennemførte undersøgelsen ved 200K, eller omtrent -100F uden behov for anvendelse af magnetfelter. Selvom det virker koldt, det er betydeligt varmere - og lettere at opnå - end lignende systemer, der fungerer ved 4K, eller cirka -450F.

De er overbeviste om, at yderligere forskning og forbedrede fremstillingsteknikker til deres halvledermateriale let vil tillade deres design at fungere ved stuetemperatur.

"Fra et akademisk synspunkt, 200K er allerede næsten stuetemperatur, så små fremskridt i materialets renhed kan let skubbe det til at fungere under omgivelsesbetingelser, "siger Agarwal." Atomisk tynd, '2-D' materialer danner meget stærke excitoner, der overlever stuetemperatur og derover, så vi tror, ​​at vi kun behøver små ændringer i, hvordan vores materialer samles. "

Agarwals gruppe arbejder nu på at studere, hvordan topologiske polaritoner interagerer med hinanden, hvilket ville bringe dem et skridt tættere på at bruge dem i praktiske fotoniske enheder.