Een internationale onderzoekssamenwerking uit Polen, het VK en Rusland hebben een tweedimensionaal systeem gecreëerd - een dunne optische holte gevuld met vloeibaar kristal - waarin ze fotonen hebben gevangen. Omdat de eigenschappen van de holte werden gewijzigd door een externe spanning, de fotonen gedroegen zich als massieve quasideeltjes begiftigd met een magnetisch moment, genaamd "draaien, " onder invloed van een kunstmatig magnetisch veld. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap op vrijdag, 8 november 2019.

De wereld om ons heen heeft één tijdelijke en drie ruimtelijke dimensies. Natuurkundigen die gecondenseerde materie bestuderen, hebben lange tijd te maken gehad met systemen van lagere dimensionaliteit - tweedimensionale (2-D) kwantumbronnen, eendimensionale (1-D) kwantumdraden en nuldimensionale (0-D) kwantumstippen. 2D-systemen hebben de breedste technische toepassingen gevonden - het is dankzij de kleinere afmetingen dat efficiënte LED's en laserdiodes, snelle transistors in geïntegreerde schakelingen, en WiFi-radioversterkers werken. Gevangen elektronen in twee dimensies kunnen zich heel anders gedragen dan vrije elektronen. Bijvoorbeeld, in grafeen, een tweedimensionale koolstofstructuur met honingraatsymmetrie, elektronen gedragen zich als massaloze objecten, d.w.z. lichte deeltjes die fotonen worden genoemd.

Elektronen in een kristal interageren met elkaar en met het kristalrooster, het creëren van een complex systeem waarvan de beschrijving mogelijk is dankzij de introductie van het concept van zogenaamde quasideeltjes. Eigenschappen van deze quasideeltjes, inclusief elektrische lading, magnetisch moment en massa, afhankelijk van de symmetrie van het kristal en zijn ruimtelijke dimensie. Natuurkundigen kunnen materialen maken met kleinere afmetingen, het ontdekken van "quasi-universums" vol exotische quasideeltjes. Het massaloze elektron in tweedimensionaal grafeen is zo'n voorbeeld.

Deze ontdekkingen inspireerden onderzoekers van de Universiteit van Warschau, de Poolse Militaire Technische Universiteit, het Instituut voor Natuurkunde van de Poolse Academie van Wetenschappen, de Universiteit van Southampton en het Skolkovo Instituut in de buurt van Moskou, om licht te bestuderen dat gevangen zit in tweedimensionale structuren - optische holtes.

De auteurs van de Wetenschap papier creëerde een optische holte waarin ze fotonen tussen twee spiegels opsloten. Het oorspronkelijke idee was om de holte te vullen met een vloeibaar kristalmateriaal dat als optisch medium fungeert. Onder invloed van een externe spanning, moleculen van dit medium kunnen roteren en de optische weglengte veranderen. Daarom, het was mogelijk om staande lichtgolven in de holte te creëren, waarvan de energie (frequentie van trillingen) anders was wanneer het elektrische veld van de golf (polarisatie) over de moleculen was gericht en verschillend voor polarisatie langs hun as (dit fenomeen wordt optische anisotropie genoemd).

Tijdens het onderzoek, uitgevoerd aan de Universiteit van Warschau, het unieke gedrag van fotonen die in de holte waren opgesloten, werd gevonden omdat ze zich gedroegen als massadragende quasideeltjes. Dergelijke quasideeltjes zijn eerder waargenomen, maar ze waren moeilijk te manipuleren omdat het licht niet reageert op elektrische of magnetische velden. Deze keer, er werd opgemerkt dat naarmate de optische anisotropie van het vloeibaar-kristalmateriaal in de holte werd veranderd, de ingesloten fotonen gedroegen zich als quasideeltjes begiftigd met een magnetisch moment, of een "spin" in een "kunstmatig magnetisch veld". Polarisatie van de elektromagnetische golf speelde de rol van "spin" voor licht in de holte. Het gedrag van licht in dit systeem is het gemakkelijkst te verklaren aan de hand van de analogie van het gedrag van elektronen in gecondenseerde materie.

De vergelijkingen die de beweging beschrijven van fotonen die in de holte zijn opgesloten, lijken op de bewegingsvergelijkingen van elektronen met spin. Daarom, het was mogelijk om een ​​fotonisch systeem te bouwen dat elektronische eigenschappen perfect imiteert en tot veel verrassende fysieke effecten leidt, zoals topologische toestanden van licht.

De ontdekking van nieuwe fenomenen met betrekking tot het invangen van licht in optisch anisotrope holtes kan de implementatie van nieuwe opto-elektronische apparaten mogelijk maken, bijv. optische neurale netwerken en neuromorfische berekeningen uitvoeren. Er is een bijzondere belofte aan het vooruitzicht van het creëren van een unieke kwantumtoestand van materie - het Bose Einstein-condensaat. Zo'n condensaat kan worden gebruikt voor kwantumberekeningen en simulaties, het oplossen van problemen die te moeilijk zijn voor moderne computers. De bestudeerde fenomenen zullen nieuwe mogelijkheden bieden voor technische oplossingen en verdere wetenschappelijke ontdekkingen.