Optisk fangede kvantedråber af lys kan binde sig sammen og danne makroskopiske komplekser

Systemer med kondenseret stof og fotoniske teknologier bruges regelmæssigt af forskere til at skabe platforme i mikroskala, der kan simulere den komplekse dynamik af mange interagerende kvantepartikler i et mere tilgængeligt miljø. Nogle eksempler omfatter ultrakolde atomare ensembler i optiske gitter, superledende arrays og fotoniske krystaller og bølgeledere. I 2006 dukkede en ny platform op med demonstrationen af ​​makroskopisk sammenhængende kvantevæsker af exciton-polaritoner for at udforske kvantefænomener i mange krop gennem optiske teknikker.

Når et stykke halvleder placeres mellem to spejle - en optisk mikroresonator - kan de elektroniske excitationer indeni blive stærkt påvirket af fotoner fanget mellem spejlene. De resulterende nye bosoniske kvantepartikler, kendt som exciton-polaritoner (eller polaritoner for korte), kan under de rette omstændigheder gennemgå en faseovergang til et ikke-ligevægts Bose-Einstein-kondensat og danne en makroskopisk kvantevæske eller en lysdråbe.

Kvantevæsker af polaritoner har mange fremtrædende egenskaber, hvoraf den ene er, at de er optisk konfigurerbare og læsbare, hvilket tillader lette målinger af polaritondynamikken. Det er det, der gør dem så fordelagtige til at simulere mange-kropsfysik.

Polariton-kondensater skal kontinuerligt pumpes optisk med eksterne lasere for at genopfylde partikler, ellers forsvinder kondensatet inden for picosekunder. Men jo hårdere du pumper kondensatet, jo mere energisk bliver det på grund af frastødende interpartikelkræfter, hvilket fører til, at partikler undslipper kondensatet og efterfølgende henfald af rumlige korrelationer.

Dette er et grundlæggende problem for optisk programmerbare polariton-simulatorer. Forskere havde brug for at finde på en måde at gøre kondensatet mere stabilt og langtidsholdbart, mens det stadig blev optisk pumpet.

Forskere fra CNR Nanotec i Lecce og fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa opnåede dette mål ved hjælp af en ny generation af fotoniske halvledergitre. I deres artikel med titlen "Reconfigurable quantum fluid molecules of bound states in the continuum", offentliggjort i Nature Physics , brugte de subbølgelængdeegenskaber af det fotoniske gitter til at præge polaritoner med nye egenskaber.

For det første kunne polaritonerne drives til at kondensere til en ultralang levetidstilstand kendt som en bundet tilstand i kontinuum (BIC). Det fascinerende ved BIC'er er, at de for det meste er ikke-strålende på grund af symmetri-forstærket beskyttelse fra det ydre kontinuum af fotoniske tilstande.

For det andet opnåede polaritonerne en negativ effektiv masse på grund af spredningsforholdet, der kommer fra gitteret. Dette betød, at de pumpede polaritoner ikke længere kunne undslippe så let gennem normale henfaldskanaler. Nu var forskerne i besiddelse af polariton-væsker, der både var ekstremt langlivede og sikkert indespærret ved kun at bruge optiske teknikker.

Kombineret tillod disse mekanismer Antonio Gianfrate og Danielle Sanvitto ved CNR Nanotec i Lecce at optisk pumpe flere polaritondråber, der kunne interagere og hybridisere til makroskopiske komplekser. De kunne skræddersy og reversibelt konfigurere molekylære arrangementer og kæder ved hjælp af denne nye form for kunstige atomer:kondensater af negativ-masse BIC-polaritoner.

BIC-egenskaben gav polaritoner meget længere levetid, hvorimod den negative masseegenskab fik dem til at blive optisk fanget. Resultaterne blev understøttet af en BIC Dirac-polariton teori udviklet mellem Helgi Sigurdsson (University of Warszawa), Hai Chau Nguyen (University of Siegen, Tyskland) og Hai Son Nguyen (Univ Lyon, Frankrig).

Den ultimative fordel ved platformen er, at de kunstige kvantekomplekser kan programmeres helt optisk, men alligevel bevarer de meget høje levetider på grund af deres beskyttelse mod kontinuummet. Dette kan føre til en ny satsning på optisk programmerbare kvantevæsker i stor skala defineret af hidtil usete kohærensskalaer og stabilitet til struktureret ikke-lineær lasering og polariton-baseret simulering af komplekse systemer.

"Der er stadig flere interessante måder at udforske i dette kunstige polaritoniske Dirac-system. Som et eksempel er koblingsmekanismen mellem polaritondråber langs og vinkelret på gitterretningen meget forskellig. Langs bølgelederen er polaritoner effektivt negative massepartikler stærkt bundet til deres pumpeplads."

"Perpendikuleret på bølgelederen bevæger de sig som positive massepartikler, der gennemgår ballistisk transport. Blandingen af ​​disse to mekanismer åbner et nyt vindue til at se på emergent adfærd af synkroni og mønsterdannelse i strukturerede polariton kvantevæsker," slutter Helgi Sigurðsson fra Fakultet for Fysik, University of Warszawa.

Flere oplysninger: Antonio Gianfrate et al., Rekonfigurerbare kvantevæskemolekyler af bundne tilstande i kontinuum, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02281-3

Leveret af University of Warszawa