Het begrip van de kwantumfysica omvatte de creatie van een breed scala aan quasideeltjes. Deze fictieve constructies beschrijven opkomende verschijnselen die de eigenschappen lijken te hebben van meerdere andere deeltjes die met elkaar vermengd zijn.

een exciton, bijvoorbeeld, is een quasideeltje dat zich gedraagt ​​als een elektron gebonden aan een elektrongat, of de lege ruimte in een halfgeleidend materiaal waar een elektron zou kunnen zijn. Een stap verder, een exciton-polariton combineert de eigenschappen van een exciton met die van een foton, waardoor het zich gedraagt ​​als een combinatie van materie en licht. Het bereiken en actief controleren van de juiste mix van deze eigenschappen, zoals hun massa, snelheid, bewegingsrichting en het vermogen om sterk met elkaar in wisselwerking te staan ​​- is de sleutel tot het toepassen van kwantumverschijnselen op technologie, zoals computers.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania zijn de eersten die een nog exotischere vorm van het exciton-polariton hebben gemaakt, een die een gedefinieerde kwantumspin heeft die vastzit aan zijn bewegingsrichting. Afhankelijk van de richting waarin ze draaien, deze spiraalvormige topologische exciton-polaritonen bewegen in tegengestelde richtingen langs het oppervlak van een even gespecialiseerd type topologische isolator.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , ze hebben dit fenomeen aangetoond bij temperaturen die veel warmer zijn dan de bijna-absolute nul die gewoonlijk nodig is om dit soort kwantumverschijnsel in stand te houden. De mogelijkheid om deze quasideeltjes te routeren op basis van hun spin in gebruiksvriendelijkere omstandigheden, en een omgeving waar ze niet terugverstrooien, opent de mogelijkheid om ze te gebruiken om informatie te verzenden of berekeningen uit te voeren met ongekende snelheden.

De studie werd geleid door Ritesh Agarwal, hoogleraar bij de afdeling Materials Science and Engineering, en Wenjing Liu, een postdoctoraal onderzoeker in zijn lab. Ze werkten samen met onderzoekers van de Hunan University en de George Washington University.

De studie demonstreert ook een nieuw type topologische isolator, een materiaalklasse ontwikkeld bij Penn door Charles Kane en Eugene Mele met een geleidend oppervlak en een isolerende kern. Topologische isolatoren worden gewaardeerd om hun vermogen om elektronen aan hun oppervlak te verspreiden zonder ze te verstrooien, en hetzelfde idee kan worden uitgebreid tot quasideeltjes zoals fotonen of polaritonen.

"Het vervangen van elektronen door fotonen zou zorgen voor nog snellere computers en andere technologieën, maar fotonen zijn erg moeilijk te moduleren, route of wissel. Ze kunnen niet rond scherpe bochten worden getransporteerd en uit de golfgeleider lekken, "Agarwal zegt. "Hier kunnen topologische exciton-polaritonen nuttig zijn, maar dat betekent dat we nieuwe soorten topologische isolatoren moeten maken die met polaritonen kunnen werken. Als we dit soort kwantummateriaal zouden kunnen maken, we zouden exciton-polaritonen langs bepaalde kanalen kunnen leiden zonder enige verstrooiing, evenals moduleren of schakelen via extern aangelegde elektrische velden of door kleine temperatuurveranderingen."

De groep van Agarwal heeft in het verleden verschillende soorten fotonische topologische isolatoren gemaakt. Terwijl de eerste "chirale" polariton-topologische isolator werd gerapporteerd door een groep in Europa, het werkte bij extreem lage temperaturen en vereiste sterke magnetische velden Het ontbrekende stuk, en onderscheid tussen "chiraal" en "spiraalvormig" in dit geval, was het vermogen om de stroomrichting te regelen via de spin van de quasideeltjes.

"Om deze fase te creëren, we gebruikten een atomair dunne halfgeleider, wolfraamdisulfide, die zeer strak gebonden excitonen vormt, en koppelde het sterk aan een goed ontworpen fotonisch kristal via symmetrie-engineering. Dit veroorzaakte een niet-triviale topologie voor de resulterende polaritonen, " zegt Agarwal. "Op het raakvlak tussen fotonische kristallen met verschillende topologie, we hebben het genereren van spiraalvormige topologische polaritons aangetoond die niet verstrooiden op scherpe hoeken of defecten, evenals spinafhankelijk transport."

Agarwal en zijn collega's voerden het onderzoek uit bij 200K, of ongeveer -100F zonder de noodzaak van het aanbrengen van magnetische velden. Hoewel dat koud lijkt, het is aanzienlijk warmer - en gemakkelijker te bereiken - dan vergelijkbare systemen die op 4K werken, of ongeveer -450F.

Ze zijn ervan overtuigd dat verder onderzoek en verbeterde fabricagetechnieken voor hun halfgeleidermateriaal hun ontwerp gemakkelijk bij kamertemperatuur zullen laten werken.

"Vanuit academisch oogpunt 200K is al bijna kamertemperatuur, zo kleine vooruitgang in materiaalzuiverheid zou het gemakkelijk kunnen dwingen om in omgevingsomstandigheden te werken, "zegt Agarwal. "Atomair dun, '2-D'-materialen vormen zeer sterke excitonen die kamertemperatuur en daarbuiten overleven, dus we denken dat we slechts kleine aanpassingen nodig hebben in de manier waarop onze materialen worden geassembleerd."

De groep van Agarwal werkt nu aan het bestuderen van hoe topologische polaritons met elkaar interageren, wat hen een stap dichter zou brengen bij het gebruik ervan in praktische fotonische apparaten.