Een groep Skoltech-wetenschappers, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Southampton (VK), ontwikkelde een volledig optische benadering om de koppelingen tussen polaritoncondensaten in optische roosters te regelen. Deze studie is een belangrijke stap naar de praktische toepassing van optische polaritoncondensaatroosters als platform voor het simuleren van fasen van gecondenseerde materie. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , waar het papier op de voorpagina stond.

In de loop van haar driejarig bestaan, het laboratorium voor hybride fotonica van het Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials en zijn team van jonge onderzoekers, werkend onder leiding van professor Pavlos Lagoudakis, heeft de stand van de techniek op het gebied van excitonpolaritonics geduwd. Hun recente demonstratie van coherent gekoppelde polaritoncondensaten is met name voorgesteld als een nieuw simulatorplatform [1, 2]. Deze technologie maakt gebruik van een uitgebreid laserexcitatiepatroon om zeer complexe polaritongrafieken op een zeer schaalbare manier te genereren, met tot duizend condensaten die momenteel haalbaar zijn. Welk technologisch platform er ook wordt gebruikt, en of de knooppunten polaritoncondensaten zijn, koud opgesloten atomen of supergeleidende qubits, het vermogen om de koppelingen tussen dichtstbijzijnde en volgende dichtstbijzijnde aangrenzende knooppunten af ​​te stemmen, is een essentiële stap om fasen van gecondenseerde materie te simuleren. Omdat de koppeling tussen polaritoncondensaten vooraf werd gedefinieerd door de laserexcitatiegeometrie en de polaritongolfvector, het regelen van de koppeling tussen de knooppunten van een vaste traliewerkgeometrie bleef ongrijpbaar.

Om deze technologische uitdaging aan te gaan, de onderzoekers stelden voor een ander zwakker laserpatroon te gebruiken om onsamenhangende excitonreservoirs te vormen die zouden fungeren als optisch ingeprente potentiële barrières. In een experiment, ze toonden aan dat het introduceren van een dergelijke barrière van variabele hoogte tussen knooppunten de fase van het verzonden condensaatsignaal op een nauwkeurige en gecontroleerde manier verandert, uiteindelijk het teken van de complexe koppeling veranderen. In dit werk, Skoltech-onderzoekers toonden ferromagnetische, antiferromagnetische en gepaarde ferromagnetische fasen in polariton clusteren 4 × 4 condensaten.

Skoltech-onderzoeker en eerste auteur, Dr. Sergey Alyatkin, merkt op:"Deze resultaten zijn bereikt dankzij het harde en gecoördineerde werk van ons team, waardoor we eerst een unieke experimentele opstelling konden maken en deze konden gebruiken om deze opwindende resultaten te bereiken. Samen met onze collega's uit Southampton, we hebben een manier ontwikkeld om het ruimtelijke profiel van de excitatie zeer nauwkeurig te regelen, waarmee we optische roosters van polaritoncondensaten in bijna elke willekeurige geometrie kunnen afdrukken. We hebben ook een homodyne interferometrietechniek geïmplementeerd voor in-situ uitlezing van de relatieve fasen van de roosterknooppunten, waarmee we een klassieke spin (van +1 tot -1) kunnen projecteren voor elk corresponderend knooppunt."

Alexis Askitopulos, senior onderzoeker van de Hybrid Photonics Labs en co-auteur, voegt toe:"Onze resultaten laten zien dat we de interactie tussen naaste buur en naaste buur kunnen afstemmen in ons polaritonrooster. Dit geeft ons in feite controle over enkele van de niet-diagonale elementen van de Hamiltoniaan van ons systeem, het aantal configuraties dat met ons platform kan worden gesimuleerd aanzienlijk vergroot, evenals het openen van mogelijkheden voor het implementeren van machine learning-processen en algoritmen."

Het resultaat van een constant heen en weer van mensen, monsters en ideeën tussen Skoltech en Southampton University, dit high-impact artikel dient ook als een herinnering aan het belang van internationale samenwerkingen in de academische wereld. In deze huidige tijd van zelfisolatie, de Russische en Britse groepen blijven in nauw contact via een wekelijks online seminar, waar ze de huidige voortgang bespreken en nieuwe manieren voorstellen om hun onderzoek verder te brengen.

De auteurs zijn ervan overtuigd dat de resultaten van hun onderzoek niet alleen van groot belang zullen zijn voor de specialisten die werkzaam zijn op het gebied van polaritonics, maar ook voor de bredere wereldwijde fotonica- en optische computergemeenschap. De extreme precisie van de controle over de relatieve fase tussen knooppunten, samen met het gemak, schaalbaarheid en afstembaarheid van de volledig optische implementatie, wordt aangenomen dat deze ontwikkeling een cruciale stap is in de ontwikkeling van hoogwaardige polaritonsimulators, die op een dag de volledige kracht van optisch computergebruik zou kunnen ontsluiten.