Onderzoekers van Skoltech en de Universiteit van Cambridge hebben aangetoond dat polaritonen, de eigenaardige deeltjes die uiteindelijk de kwantumsupercomputers van de toekomst kunnen laten draaien, kunnen structuren vormen die zich gedragen als moleculen - en deze "kunstmatige moleculen" kunnen mogelijk op aanvraag worden ontwikkeld. Het artikel waarin deze resultaten worden geschetst, is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

Polaritonen zijn kwantumdeeltjes die bestaan ​​uit een foton en een exciton, een ander quasi-deeltje, licht en materie samenbrengen in een merkwaardige unie die een veelvoud aan mogelijkheden opent in polaritonische apparaten van de volgende generatie. Alexander Johnston, Kirill Kalinin en Natalia Berloff, professor aan het Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials en University of Cambridge, hebben aangetoond dat geometrisch gekoppelde polaritoncondensaten, die voorkomen in halfgeleiderapparaten, kunnen moleculen met verschillende eigenschappen nabootsen.

Gewone moleculen zijn groepen atomen die aan elkaar zijn gebonden met moleculaire bindingen, en hun fysieke eigenschappen verschillen behoorlijk drastisch van die van hun samenstellende atomen:denk aan het watermolecuul, H2O, en elementaire waterstof en zuurstof. "In ons werk we laten zien dat clusters van op elkaar inwerkende polaritonische en fotonische condensaten een reeks exotische en volledig verschillende entiteiten kunnen vormen - 'moleculen' - die kunstmatig kunnen worden gemanipuleerd. Deze "kunstmatige moleculen" bezitten nieuwe energietoestanden, optische eigenschappen, en vibratiemodi van die van de condensaten waaruit ze bestaan, "Johston, van de afdeling Toegepaste Wiskunde en Theoretische Natuurkunde van de Universiteit van Cambridge, verklaart.

Toen onderzoekers numerieke simulaties van twee uitvoerden, drie, en vier op elkaar inwerkende polaritoncondensaten, ze merkten enkele merkwaardige asymmetrische stationaire toestanden op waarin niet alle condensaten dezelfde dichtheid hebben in hun grondtoestand. "Bij nader onderzoek we ontdekten dat dergelijke staten in een grote verscheidenheid van verschillende vormen kwamen, die kunnen worden gecontroleerd door bepaalde fysieke parameters van het systeem te manipuleren. Dit bracht ons ertoe fenomenen als "kunstmatige polaritonmoleculen" voor te stellen en hun potentiële toepassingen in kwantuminformatiesystemen te onderzoeken, ' zegt Johnston.

Vooral, het team concentreerde zich op een "asymmetrische dyade, " die bestaat uit twee op elkaar inwerkende condensaten met ongelijke beroepen. Wanneer twee van die dyaden worden gecombineerd tot een tetrade-structuur, dat laatste is, In zekere zin, analoog aan een homonucleair molecuul, bijvoorbeeld tot moleculaire waterstof H2. Verder, kunstmatige polaritonmoleculen kunnen ook meer uitgebreide structuren vormen, die kunnen worden gezien als 'kunstmatige polaritonverbindingen'.

"Er is niets dat het creëren van complexere structuren in de weg staat. in ons werk hebben we ontdekt dat er een breed scala aan exotische, asymmetrische toestanden mogelijk in tetrad-configuraties. In sommige van deze, alle condensaten hebben verschillende dichtheden (ondanks dat alle koppelingen even sterk zijn), het uitnodigen van een analogie met chemische verbindingen, " merkt Alexander Johnston op.

In specifieke tetrad-structuren, elke asymmetrische dyade kan worden gezien als een individuele "spin, " gedefinieerd door de oriëntatie van de dichtheidsasymmetrie. Dit heeft interessante gevolgen voor de vrijheidsgraden van het systeem (de onafhankelijke fysieke parameters die nodig zijn om toestanden te definiëren); de "spins" introduceren een discrete vrijheidsgraad, naast de continue vrijheidsgraden gegeven door de condensaatfasen.

De relatieve oriëntatie van elk van de dyades kan worden geregeld door de koppelingssterkte daartussen te variëren. Omdat kwantuminformatiesystemen mogelijk een grotere nauwkeurigheid en efficiëntie kunnen hebben als ze een soort hybride discreet-continu systeem gebruiken, het team stelde daarom deze hybride tetra-structuur voor als een mogelijke basis voor een dergelijk systeem.

"In aanvulling, we hebben een overvloed aan exotische asymmetrische toestanden ontdekt in triade- en tetrad-systemen. Het is mogelijk om naadloos over te schakelen tussen dergelijke toestanden door simpelweg de pompkracht te variëren die wordt gebruikt om de condensaten te vormen. Deze eigenschap suggereert dat dergelijke toestanden de basis zouden kunnen vormen van een polaritonisch meerwaardig logisch systeem, die de ontwikkeling van polaritonische apparaten mogelijk zou maken die aanzienlijk minder stroom verbruiken dan traditionele methoden en, mogelijk, werken orden van grootte sneller, ' zegt professor Berloff.