Forskere skaber et optisk transportbånd til kvasipartikler

Ved hjælp af interferens mellem to lasere har en forskergruppe ledet af forskere fra RIKEN og NTT Research skabt et "optisk transportbånd", der kan flytte polaritoner - en type let-stof hybridpartikel - i halvlederbaserede mikrohulrum. Dette arbejde kan føre til udvikling af nye enheder med applikationer inden for områder som kvantemetrologi og kvanteinformation.

Til den aktuelle undersøgelse, offentliggjort i Nature Photonics , brugte forskerne interferensen mellem to lasere til at skabe et dynamisk potentielt energilandskab – forestil dig et landskab af dale og bakker, i konstant gentagne bevægelser – til en sammenhængende, laserlignende tilstand af polaritoner kendt som et polaritonkondensat.

De opnåede dette ved at introducere et nyt optisk værktøj - et optisk transportbånd - for at muliggøre kontrol af energilandskabet, konkret gitterdybderne og interaktionen mellem nabopartikler.

Ved yderligere at justere frekvensforskellen mellem de to lasere, bevæger transportbåndet sig med hastigheder i størrelsesordenen 0,1 % af lysets hastighed, hvilket driver polaritonerne ind i en ny tilstand.

Ikke-gensidighed - et fænomen, hvor systemdynamikken er forskellig i modsatrettede retninger - er en afgørende ingrediens for at skabe det, der er kendt som en kunstig topologisk fase af stof. Topologi er den matematiske klassificering af objekter ved at tælle antallet af "huller", f.eks. kan en doughnut eller en knude have et begrænset antal huller, mens en bold ikke har nogen.

Kvantematerialer kan også konstrueres med en topologi, der ikke er nul, som i dette tilfælde er mere abstrakt indlejret i båndstrukturen. Sådanne materialer kan udvise adfærd såsom dissipationsfri transport, hvilket betyder, at de kan bevæge sig uden energitab og andre eksotiske kvantefænomener.

Det er ekstremt udfordrende at indføre ikke-gensidighed i konstruerede optiske platforme, og denne enkle, udvidelige eksperimentelle demonstration åbner nye muligheder for nye kvanteteknologier, der inkorporerer funktionel topologi.

Forskergruppen, herunder førsteforfatter Yago del Valle Inclan Redondo, og ledet af seniorforsker Michael Fraser, begge fra RIKEN CEMS og NTT Research, har sammen med samarbejdspartnere fra Tyskland, Singapore og Australien gennemført en undersøgelse i denne retning.

Fraser siger:"Vi har skabt en topologisk lystilstand i en halvlederstruktur ved hjælp af en mekanisme, der involverer hurtig modulering af energilandskabet, hvilket resulterer i indførelsen af ​​en syntetisk dimension."

En syntetisk dimension er en metode til at kortlægge en ikke-rumlig dimension, i dette tilfælde tid, til en rumlignende dimension, således at systemdynamikken kan udvikle sig i et højere antal dimensioner og blive bedre egnet til at realisere topologisk stof.

Dette arbejde udvider en teknik udviklet af gruppen, udgivet sidste år, som på samme måde brugte tidsmodulerede lasere til at drive den hurtige rotation af polaritonkondensat.

Ved at bruge dette simple eksperimentelle skema, der involverede interferens mellem to lasere, var forskerne i stand til at organisere polaritoner i præcis de rigtige dimensioner for at skabe en kunstig båndstruktur, hvilket betyder, at partiklerne organiserede sig i energibånd som elektroner i et materiale.

Ved at indstille dimensionerne, dybden og hastigheden af ​​det polariton optiske gitter opnås kontrol over båndstrukturen. Takket være denne hurtige bevægelse ser polaritonerne et forskelligt potentielt energilandskab afhængigt af, om de forplanter sig med eller mod strømmen af ​​gitteret, en effekt, der er analog med Doppler-skiftet for lyd.

Denne asymmetriske respons af de begrænsede polaritoner bryder tids-reverseringssymmetri, driver ikke-gensidighed og dannelsen af ​​en topologisk båndstruktur.

"Fotoniske tilstande med topologiske egenskaber kan bruges i avancerede opto-elektroniske enheder, hvor topologi i høj grad kan forbedre ydeevnen af ​​optiske enheder, kredsløb og netværk, såsom ved at reducere støj og laserende tærskeleffekter og dissipationsfri optisk bølgeledning.

"Yderligere åbner vores tekniks enkelhed og robusthed nye muligheder for udvikling af topologiske fotoniske enheder med applikationer inden for kvantemetrologi og kvanteinformation," konkluderer Fraser.

Flere oplysninger: Yago del Valle Inclan Redondo et al., Ikke-reciproke båndstrukturer i et exciton-polariton Floquet optisk gitter, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01424-z

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af RIKEN