Optisk genererede kvantefluider af lys afslører eksotiske stofbølge-tilstande i kondenseret fysik

Forskere fra Skoltech og University of Southampton, Storbritannien, har brugt altoptiske metoder til at skabe et kunstigt gitter, hvis noder huser polaritoner-kvasipartikler, der er halv-lette og halv-materige excitationer i halvledere. Denne såkaldte Lieb gitter, som normalt ikke forekommer i naturen, gjorde teamet i stand til at demonstrere gennembrudsresultater, der er vigtige for kondenseret fysik. Set fra applikationsperspektivet det laser-genererede polariton gitter, rapporteret i Naturkommunikation , kan bruges til design af næste generations enheder som optiske computere, der er afhængige af dispersionsstyring og guidet lys.

I det stærke lysstof-koblingsregime, elektroniske excitationer i en halvleder placeret mellem to spejle, der danner et mikrohulrum, bliver stærkt påvirket af de fotoner, der er fanget inde. Dette giver anledning til nye kvantetilstande kaldet exciton-polaritoner, eller bare polaritons for kort. De muliggør undersøgelse af hybrid stofbølge og fotoniske fænomener i mikroskalaen. Under de rigtige betingelser, polaritoner kan danne sammenhængende mange-kropstilstande af stof svarende til Bose-Einstein-kondensater, giver adgang til eksotisk dissipativ ikke -lineær dynamik.

Forskerne besluttede at undersøge, hvordan disse kondensater opfører sig i kunstige optiske gitter, der normalt ikke findes i naturen. Til dette brugte de en programmerbar rumlig lysmodulator til at forme en laserstråle til et gitter inde i hulrummet, ikke ulig laserpointerhætterne til at projicere smarte mønstre på fjerne overflader. De genererede polaritoner steg både i antal og blev mere energiske, hvor laserfeltet var mest intens. Ved høj nok lasereffekt, polaritonerne begyndte at danne kondensater, der lå på gitterets potentielle maksima. I dette såkaldte ballistiske regime, højenergipolaritonbølger, der undslipper kondensaterne spredt og diffrakteret over gitteret.

Forskerne observerede, at når gitterkonstanten blev reduceret, kondensaterne gennemgik en faseovergang fra det ballistiske regime til det modsatte tilfælde af dybt fangede kondensater, der nu bor i gitterets potentielle minima. Ved mellemliggende gitterkonstanter, systemet virkede ude af stand til at "afgøre", om polaritonbølgerne skulle delokaliseres eller lokaliseres, og i stedet brudte kondensaterne på tværs af flere energier. En sådan overgang var aldrig tidligere blevet observeret i polariton gitter.

Forskerne demonstrerede derefter, at de kunne producere et af de mest eksotiske træk i solid-state fysik-fuldstændigt dispersionsfrie krystalbånd, også kendt som fladbånd - hvor partikelmasse effektivt bliver uendelig. Til dette designede de et optisk Lieb gitter, ikke traditionelt findes i naturen, som vides at besidde fladbånd.

Undersøgelsen rapporteret i denne historie blev co-forfatter af unge forskere fra Hybrid Photonics Lab ledet af professor Pavlos Lagoudakis, der gav følgende kommentar til teamets resultater:"Vores laboratorium har udviklet stor ekspertise inden for optiske gitter af polaritonkondensater, og med dette arbejde har vi taget endnu et skridt fremad. Disse resultater vil have stor interesse for et bredt videnskabeligt samfund, der spænder over ikke -lineær optik, kondenseret fysik, kolde atomer, let materiel fysik, og polaritonik. Dette er den første demonstration af ikke -trivielle faser af stof og fladbåndsteknik i optisk genererede polariton gitter. Tidligere har fladbåndstilstande i polaritonsystemer var kun blevet vist i litografisk skrevne strukturer. "

Den første forfatter til papiret, eksperimentel fysiker Dr. Sergey Alyatkin fra Skoltech, og hans kollega, teoretisk fysiker Dr. Helgi Sigurdsson fra University of Southampton, tilføjet, "Vores arbejde er en meget flot demonstration af fremskridtene inden for optisk kontrol og rigdom inden for polaritonik. Jo mere vi undersøger mikrokavitetspolitroner i gitter, de mere interessante effekter, vi observerer. Vores seneste resultater har åbnet en rute til uudforsket fysik af ikke-stationære gitterblandinger af stofbølge-kvasipartikler, og vi begrænser os ikke til en bestemt type undersøgt gitter. "