Onderzoekers van ANU hebben onlangs een nieuwe methode bewezen voor het genereren van orbitale impulsmomenten (vortices), met een topologische lading die wordt verzekerd door een uitzonderlijk punt.

Recente studies aan de ANU lossen een opmerkelijk probleem op in de fysica van exciton-polaritonen, en open spannende toekomstige onderzoeksrichtingen in het veld.

Het werk van voormalig ANU-postdoctoraal onderzoeker Tingge Gao en FLEET-onderzoekers Guangyao Li, Eli Estrecho en Elena Ostrovskaja, samen met medewerkers van de ANU en internationaal, resulteerde in waarneming van de exciton-polariton golffunctie op een speciaal punt in de ruimte van parameters dat bekend staat als een 'uitzonderlijk punt' (EP).

De EP vertoont een inherente chiraliteit of 'handigheid' die de onderzoekers gebruikten om robuust vortices te genereren in een exciton-polariton kwantumvloeistof.

Uitzonderingspunten en licht-materiedeeltjes

Uitzonderlijke punten ontstaan ​​wanneer resonanties samenvallen in een systeem met winst en verlies resulterend in het samenvoegen van de bijbehorende golffuncties.

Zoals de naam al doet vermoeden, een EP kenmerkt contra-intuïtief gedrag en is een focus van recent intensief onderzoek in klassieke systemen zoals optica, magnetrons, plasmonica, akoestiek, en optomechanica.

Vanwege de niet-triviale topologie van de EP, het samenvoegen van de golffuncties resulteert in een goed gedefinieerde 'handigheid' (chiraliteit).

Echter, deze chiraliteit was nog niet eerder aangetoond in een kwantumsysteem. De ANU-studie was de eerste demonstratie van een dergelijke chirale toestand bij een EP in een macroscopisch kwantumsysteem van gecondenseerde exciton-polaritonen.

Exciton-polaritonen zijn hybride deeltjes die deels materie en deels licht zijn, samengebonden door sterke koppeling binnen halfgeleider microholtes, waar ze een Bose-Einstein-condensaat kunnen vormen.

belangrijk, het bestaan ​​van EP's en de bijbehorende topologische fase in exciton-polaritonen werd voor het eerst aangetoond door de ANU-groep in 2015. Dit resultaat maakte de weg vrij voor verdere studies van 'niet-Hermitiaanse' kwantumfysica van exciton-polaritonen, die nieuwe werkingsprincipes voor op polariton gebaseerde apparaten kunnen onthullen.

In het polariton-BEC-lab bij ANU, onderzoekers genereerden vortexstromen met vaste handigheid (chiraliteit) in exciton-polariton kwantumvloeistoffen door zorgvuldig de vorm van de door licht geïnduceerde resonator af te stemmen.

Eerder werk van dezelfde groep toonde al vortexgeneratie, met behulp van de chirale vorm van het potentiële landschap.

In dit nieuwe werk de chiraliteit komt voort uit de topologie van de EP in plaats van uit het door licht geïnduceerde potentieel.

Dit werd bereikt door twee resonanties die overeenkomen met niet-chirale dipool (tweelobbige) modi naar elkaar toe te sturen. In de buurt van een EP, de interferentie van deze modi resulteerde in een chirale toestand, wat een vortexstroom is.

Het werk demonstreert een nieuwe methode voor het genereren van orbitale impulsmomenten met een topologische lading die wordt beschermd door de niet-triviale topologie van de EP.

Het onderzoek werd geleid door voormalig ANU-postdoctoraal onderzoeker Tingge Gao.

Chiraliteit van een modus op een EP is een fundamentele eigenschap van systemen met winst en verlies (bekend als niet-Hermitiaanse systemen) en is eerder aangetoond in klassieke golven (met name in microgolf- en optische systemen). Het ANU-werk markeert de eerste waarneming van deze soort in een kwantumsysteem.

Het werk opent een opwindende toekomstige onderzoeksrichting in de exciton-polaritonfysica:de exploitatie van niet-triviale eigenschappen van EP's binnen een kwantumsysteem zou kunnen leiden tot nog interessantere ontwikkelingen zoals verbeterde detectie en topologische schakeling, die tot nu toe alleen in klassieke systemen zijn aangetoond.

Verder, het werk stimuleert toekomstige experimentele studies van niet-Hermitische fysica, waaronder EP-clustering en het creëren van hogere-orde EP's in een macroscopisch kwantumsysteem.

De studie Chiral modes op uitzonderlijke punten in exciton-polariton kwantumvloeistoffen werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven in februari 2018.