Onderzoekers van de Hybrid Photonics Laboratories in Skoltech en Southampton (VK), in samenwerking met Lancaster University (VK), hebben een nieuwe optische methode gedemonstreerd om kunstmatige kristalstructuren in vaste toestand voor holtepolaritonen te synthetiseren met alleen laserlicht. De resultaten kunnen leiden tot de realisatie van in het veld programmeerbare polaritonschakelingen en nieuwe strategieën om geleid licht en robuuste opsluiting van coherente lichtbronnen te creëren. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Door kunstmatige roosters voor kwantumdeeltjes te maken, kunnen onderzoekers de natuurkunde verkennen in een omgeving die normaal niet in de natuur voorkomt. Kunstmatige roosters zijn vooral aantrekkelijk omdat hun symmetrieën vaak leiden tot exact oplosbare modellen en een transparant begrip van hun eigenschappen. Ze ontwerpen, echter, is een uitdagende taak met beperkte flexibiliteit. Materialen moeten onomkeerbaar worden ontworpen om de klus te klaren, en zelfs optische roostertechnieken voor koude atomen kunnen geen willekeurige roostervormen produceren.

De onderzoekers, Dr. Lucy Pickup (Southampton), Dr. Helgi Sigurdsson (Southampton en Skoltech), Prof Janne Ruostekoski (Lancaster), en prof. Pavlos Lagoudakis (Skoltech en Southampton), overwon deze uitdaging door een nieuwe methode te ontwikkelen om willekeurig gevormde en herprogrammeerbare kunstmatige roosters te maken met alleen gestructureerd laserlicht. De herprogrammeerbaarheid betekende dat het holte-polaritonsysteem van het ene rooster naar het andere kon worden veranderd zonder de kostbare noodzaak om een ​​nieuw systeem helemaal opnieuw te ontwerpen.

Als het laserlicht een kwantumbron voor halfgeleiders raakt, het prikkelt elektronen en gaten, evenals gebonden toestanden van de twee bekend als excitonen. Wanneer de kwantumput tussen twee spiegels wordt geplaatst, het vormen van een val (of een holte) voor de fotonen, sommige van de excitondeeltjes worden gekleed in fotonen, exotisch halflicht vormen, halve materie quasideeltjes bekend als exciton-polaritonen of holte polaritonen.

Exciton-polaritonen zijn interactief en stuiteren vaak van elkaar. Echter, ze kaatsen ook terug op normale elektronen, gaten en excitonen op de achtergrond. De onderzoekers toonden aan dat door laserlicht op een geometrisch gestructureerde manier toe te passen, de exciton-polaritonen begonnen te stuiteren van de aangeslagen elektronen, gaten, en excitonen die de vorm van de laser volgen. Met andere woorden, de exciton-polaritonen begonnen een synthetisch potentieel landschap te ervaren dat door de laser werd afgedrukt.

De door laser gegenereerde potentiële landschappen worden alleen gevoeld door de exciton-polaritonen en niet door de fotonen in de holte, het systeem onderscheiden van fotonische kristallen. Door een laserpatroon met translatiesymmetrie te creëren, de onderzoekers produceerden de fundamentele handtekening van solid-state systemen, de vorming van kristalenergiebanden voor exciton-polaritonen zoals die voor elektronen in vastestofmaterialen.

"De resultaten openen een pad om dissipatieve veeldeeltjes-kwantumfysica te bestuderen in een roosteromgeving met eigenschappen die niet kunnen worden gereproduceerd in normale Hermitische kwantumsystemen, "Dr. Lucy Pick-up, artikel co-auteur, zegt.

Dr. Helgi Sigurdsson voegt toe:"Het is een opwindende ontwikkeling voor het relatief nieuwe gebied van de niet-Hermitische topologische fysica."

De geproduceerde banden kunnen opnieuw worden geconfigureerd door eenvoudig het laserpatroon aan te passen, waardoor een niet-invasieve methode toegang krijgt tot de kwantumfysica in kunstmatige roosters. De resultaten kunnen nuttig zijn in een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief optische communicatie, informatieverwerking, hooggevoelige detectoren voor biomedische doeleinden en topologisch beschermde laserstraling. De resultaten openen ook een pad om fundamentele veeldeeltjesroosterfysica te bestuderen in een open (niet-Hermitiaanse) kwantumomgeving.