Onderzoekers van Skoltech en de Universiteit van Southampton, VK, hebben volledig optische methoden gebruikt om een ​​kunstmatig rooster te creëren waarvan de knooppunten polaritons bevatten - quasideeltjes die half-licht en half-materie-excitaties in halfgeleiders zijn. Dit zogenaamde Lieb-rooster, wat in de natuur meestal niet voorkomt, stelde het team in staat baanbrekende resultaten aan te tonen die belangrijk zijn voor de fysica van de gecondenseerde materie. Vanuit het perspectief van de toepassingen, het door laser gegenereerde polaritonrooster, gerapporteerd in Natuurcommunicatie , kan worden gebruikt voor het ontwerp van apparaten van de volgende generatie, zoals optische computers, die afhankelijk zijn van dispersiebeheer en geleid licht.

In het sterke licht-materie koppelingsregime, elektronische excitaties in een halfgeleider geplaatst tussen twee spiegels die een microholte vormen, worden sterk beïnvloed door de fotonen die erin gevangen zitten. Dit geeft aanleiding tot nieuwe kwantummodi genaamd exciton-polaritonen, of kortweg polaritonen. Ze maken de studie mogelijk van hybride materie-golf- en fotonische verschijnselen op microschaal. Onder de juiste omstandigheden, polaritons kunnen coherente veel-lichaamstoestanden van materie vormen, vergelijkbaar met Bose-Einstein-condensaten, toegang verschaffen tot exotische dissipatieve niet-lineaire dynamiek.

De onderzoekers besloten te onderzoeken hoe deze condensaten zich gedragen in kunstmatige optische roosters die normaal gesproken niet in de natuur voorkomen. Hiervoor gebruikten ze een programmeerbare ruimtelijke lichtmodulator om een ​​laserstraal te vormen tot een rooster in de holte, niet anders dan de laserpointerkappen voor het projecteren van fantasiepatronen op verre oppervlakken. De gegenereerde polaritons namen zowel in aantal toe als energieker waar het laserveld het meest intens was. Bij voldoende hoog laservermogen, de polaritonen begonnen condensaten te vormen die zich op de potentiële maxima van het rooster bevonden. In dit zogenaamde ballistische regime, hoogenergetische polaritongolven die ontsnappen aan de condensaten die over het rooster werden verspreid en afgebogen.

De onderzoekers merkten op dat wanneer de roosterconstante werd verlaagd, de condensaten ondergingen een faseovergang van het ballistische regime naar het tegenovergestelde geval van diep opgesloten condensaten die zich nu in de potentiële minima van het rooster bevinden. Bij tussenliggende roosterconstanten, het systeem leek niet in staat te "beslissen" of de polaritongolven moesten worden gedelokaliseerd of gelokaliseerd, en in plaats daarvan braken de condensaten over meerdere energieën. Een dergelijke overgang was nog nooit eerder waargenomen in polaritonroosters.

De onderzoekers toonden vervolgens aan dat ze een van de meest exotische kenmerken in de vastestoffysica konden produceren - volledig dispersieloze kristalbanden, ook bekend als flatbands - waar de deeltjesmassa in feite oneindig wordt. Hiervoor ontwierpen ze een optisch Lieb-rooster, niet gebruikelijk in de natuur, waarvan bekend is dat het flatbands bezit.

De studie die in dit verhaal wordt beschreven, was co-auteur van jonge onderzoekers van het Hybrid Photonics Lab onder leiding van professor Pavlos Lagoudakis, die het volgende commentaar gaf op de bevindingen van het team:"Ons laboratorium heeft een grote expertise ontwikkeld in optische roosters van polaritoncondensaten, en met dit werk hebben we weer een stap vooruit gezet. Deze resultaten zullen van groot belang zijn voor een brede wetenschappelijke gemeenschap die zich uitstrekt over niet-lineaire optica, fysica van de gecondenseerde materie, koude atomen, licht-materie fysica, en polaritoniek. Dit is de eerste demonstratie van niet-triviale fasen van materie en flatband-engineering in optisch gegenereerde polaritonroosters. Eerder, flatbandtoestanden in polaritonsystemen waren alleen aangetoond in lithografisch geschreven structuren."

De eerste auteur van het artikel, experimenteel fysicus Dr. Sergey Alyatkin van Skoltech, en zijn collega, theoretisch fysicus Dr. Helgi Sigurdsson van de Universiteit van Southampton, toegevoegd, "Ons werk is een zeer mooie demonstratie van de vooruitgang in optische controle en rijkdom op het gebied van polaritonics. Hoe meer we microcavity polaritons in roosters bestuderen, hoe interessanter effecten we waarnemen. Onze laatste resultaten hebben een weg geopend naar onontgonnen fysica van niet-stationaire roostermengsels van quasideeltjes van materiegolven, en we beperken ons niet tot een specifiek type onderzocht rooster."