Wetenschap
Wetenschappers creëren een optische transportband voor quasideeltjes
Met behulp van interferentie tussen twee lasers heeft een onderzoeksgroep onder leiding van wetenschappers van RIKEN en NTT Research een ‘optische transportband’ gecreëerd die polaritonen – een soort hybride licht-materiedeeltje – kan verplaatsen in op halfgeleiders gebaseerde microholtes. Dit werk zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe apparaten met toepassingen op gebieden als kwantummetrologie en kwantuminformatie.
Voor de huidige studie, gepubliceerd in Nature Photonics , gebruikten de wetenschappers de interferentie tussen twee lasers om een dynamisch potentieel energielandschap te creëren – stel je een landschap voor van valleien en heuvels, die zich voortdurend herhalen – voor een coherente, laserachtige toestand van polaritonen die bekend staat als polaritoncondensaat.
Ze bereikten dit door de introductie van een nieuw optisch hulpmiddel – een optische transportband – om de controle over het energielandschap mogelijk te maken, concreet, de roosterdiepten en de interacties tussen aangrenzende deeltjes.
Door het frequentieverschil tussen de twee lasers verder af te stemmen, beweegt de transportband met snelheden in de orde van 0,1% van de lichtsnelheid, waardoor de polaritonen in een nieuwe staat worden gedreven.
Niet-wederkerigheid – een fenomeen waarbij de systeemdynamiek in tegengestelde richtingen verschillend is – is een cruciaal ingrediënt voor het creëren van wat bekend staat als een kunstmatige topologische fase van materie. Topologie is de wiskundige classificatie van objecten door het aantal "gaten" te tellen. Een donut of een knoop kan bijvoorbeeld een eindig aantal gaten hebben, terwijl een bal er geen heeft.
Kwantummaterialen kunnen ook worden ontworpen met een niet-nul-topologie, die in dit geval abstracter is ingebed in de bandstructuur. Dergelijke materialen kunnen gedrag vertonen zoals dissipatieloos transport, wat betekent dat ze kunnen bewegen zonder energieverlies, en andere exotische kwantumfenomenen.
Het is buitengewoon uitdagend om niet-wederkerigheid te introduceren in technische optische platforms, en deze eenvoudige, uitbreidbare experimentele demonstratie opent nieuwe mogelijkheden voor opkomende kwantumtechnologieën die functionele topologie integreren.
De onderzoeksgroep, waaronder eerste auteur Yago del Valle Inclan Redondo, en geleid door Senior Research Scientist Michael Fraser, zowel van RIKEN CEMS als NTT Research, heeft samen met medewerkers uit Duitsland, Singapore en Australië een onderzoek in deze richting uitgevoerd.
P>Fraser zegt:"We hebben een topologische staat van licht gecreëerd in een halfgeleiderstructuur door een mechanisme dat snelle modulatie van het energielandschap met zich meebrengt, resulterend in de introductie van een synthetische dimensie."
Een synthetische dimensie is een methode om een niet-ruimtelijke dimensie, in dit geval de tijd, in een ruimteachtige dimensie in kaart te brengen, zodat de systeemdynamiek in een groter aantal dimensies kan evolueren en beter geschikt wordt voor het realiseren van topologische materie. P>
Dit werk bouwt voort op een techniek die door de groep is ontwikkeld en vorig jaar werd gepubliceerd en die op soortgelijke wijze gebruik maakte van tijdelijk gemoduleerde lasers om de snelle rotatie van polaritoncondensaten aan te sturen.
Met behulp van dit eenvoudige experimentele schema waarbij de interferentie tussen twee lasers betrokken was, waren de wetenschappers in staat polaritonen in precies de juiste dimensies te organiseren om een kunstmatige bandstructuur te creëren, wat betekent dat de deeltjes zich in energiebanden organiseerden zoals elektronen in een materiaal.
Door de afmetingen, diepte en snelheid van het polariton optische rooster af te stemmen, wordt controle over de bandstructuur bereikt. Dankzij deze snelle beweging zien de polaritonen een ander potentieel energielandschap, afhankelijk van of ze zich met of tegen de stroom van het rooster voortplanten, een effect dat analoog is aan de Dopplerverschuiving voor geluid.
Deze asymmetrische reactie van de opgesloten polaritonen doorbreekt de tijdomkeersymmetrie, waardoor niet-wederkerigheid en de vorming van een topologische bandstructuur wordt veroorzaakt.
"Fotonische toestanden met topologische eigenschappen kunnen worden gebruikt in geavanceerde opto-elektronische apparaten waar topologie de prestaties van optische apparaten, circuits en netwerken aanzienlijk zou kunnen verbeteren, bijvoorbeeld door het verminderen van ruis en laserdrempelvermogens, en dissipatieloze optische golfgeleiding.
"Verder opent de eenvoud en robuustheid van onze techniek nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van topologische fotonische apparaten met toepassingen in kwantummetrologie en kwantuminformatie", besluit Fraser.