Systemen van gecondenseerde materie en fotonische technologieën worden regelmatig door onderzoekers gebruikt om platforms op microschaal te creëren die de complexe dynamiek van veel op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes kunnen simuleren in een meer toegankelijke omgeving. Enkele voorbeelden zijn onder meer ultrakoude atomaire ensembles in optische roosters, supergeleidende arrays en fotonische kristallen en golfgeleiders. In 2006 ontstond een nieuw platform met de demonstratie van macroscopisch coherente kwantumvloeistoffen van exciton-polaritonen om kwantumfenomenen van vele lichamen te onderzoeken door middel van optische technieken.

Wanneer een stuk halfgeleider tussen twee spiegels wordt geplaatst – een optische microresonator – kunnen de elektronische excitaties binnenin sterk worden beïnvloed door fotonen die tussen de spiegels opgesloten zitten. De resulterende nieuwe bosonische kwantumdeeltjes, bekend als exciton-polaritonen (of kortweg polaritonen), kunnen onder de juiste omstandigheden een faseovergang ondergaan naar een niet-evenwichtig Bose-Einstein-condensaat en een macroscopische kwantumvloeistof of een druppel licht vormen.

Kwantumvloeistoffen van polaritonen hebben veel opvallende eigenschappen, waaronder dat ze optisch configureerbaar en leesbaar zijn, waardoor eenvoudige metingen van de polaritondynamiek mogelijk zijn. Dit is wat ze zo voordelig maakt om de fysica van meerdere lichamen te simuleren.

Polaritoncondensaten moeten continu optisch worden gepompt met externe lasers om deeltjes aan te vullen, anders verdwijnt het condensaat binnen picoseconden. Hoe harder je het condensaat echter pompt, hoe energieker het wordt als gevolg van afstotende krachten tussen de deeltjes, wat ertoe leidt dat deeltjes uit het condensaat ontsnappen en vervolgens de ruimtelijke correlaties vervallen.

Dit is een fundamenteel probleem voor optisch programmeerbare polaritonsimulators. Wetenschappers moesten een manier bedenken om het condensaat stabieler te maken en een langere levensduur te geven, terwijl het nog steeds optisch wordt gepompt.

Wetenschappers van CNR Nanotec in Lecce en de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben dit doel bereikt met behulp van een nieuwe generatie halfgeleider fotonische roosters. In hun artikel getiteld "Herconfigureerbare kwantumvloeistofmoleculen van gebonden toestanden in het continuüm", gepubliceerd in Nature Physics gebruikten ze subgolflengte-eigenschappen van het fotonische rooster om polaritonen te voorzien van nieuwe eigenschappen.

Ten eerste zouden de polaritonen ertoe kunnen worden aangezet te condenseren tot een ultralange levensduur die bekend staat als een gebonden toestand in het continuüm (BIC). Het fascinerende aan BIC's is dat ze meestal niet-stralend zijn vanwege de door symmetrie afgedwongen bescherming tegen het externe continuüm van fotonische modi.

Ten tweede verkregen de polaritonen een negatieve effectieve massa als gevolg van de dispersierelatie afkomstig van het rooster. Dit betekende dat de opgepompte polaritonen niet meer zo gemakkelijk via normale vervalkanalen konden ontsnappen. Nu beschikten de onderzoekers over polaritonvloeistoffen die een extreem lange levensduur hadden en veilig konden worden opgesloten met uitsluitend optische technieken.

Gecombineerd zorgden deze mechanismen ervoor dat Antonio Gianfrate en Danielle Sanvitto van CNR Nanotec in Lecce optisch meerdere polaritondruppeltjes konden pompen die konden interageren en hybridiseren tot macroscopische complexen. Ze zouden moleculaire arrangementen en ketens kunnen aanpassen en omkeerbaar kunnen configureren met behulp van deze nieuwe vorm van kunstmatige atomen:condensaten van BIC-polaritonen met negatieve massa.

De BIC-eigenschap zorgde ervoor dat polaritonen een veel langere levensduur hadden, terwijl de negatieve massa-eigenschap ervoor zorgde dat ze optisch gevangen raakten. De bevindingen werden ondersteund door een BIC Dirac-polaritontheorie ontwikkeld door Helgi Sigurdsson (Universiteit van Warschau), Hai Chau Nguyen (Universiteit van Siegen, Duitsland) en Hai Son Nguyen (Univ Lyon, Frankrijk).

Het ultieme voordeel van het platform is dat de kunstmatige kwantumcomplexen volledig optisch kunnen worden geprogrammeerd, maar toch een zeer hoge levensduur behouden vanwege hun bescherming tegen het continuüm. Dit zou kunnen leiden tot een nieuwe onderneming in optisch programmeerbare grootschalige kwantumvloeistoffen, gedefinieerd door ongekende coherentieschalen en stabiliteit voor gestructureerde niet-lineaire lasering en op polariton gebaseerde simulatie van complexe systemen.

"Er zijn nog steeds verschillende interessante manieren om te verkennen in dit kunstmatige polaritonische Dirac-systeem. Het koppelingsmechanisme tussen polaritondruppeltjes langs en loodrecht op de roosterrichting is bijvoorbeeld heel anders. Langs de golfgeleider zijn polaritonen in feite negatieve massadeeltjes die sterk gebonden zijn aan hun pompplek."

‘Loodrecht op de golfgeleider bewegen ze zich als deeltjes met positieve massa die ballistisch transport ondergaan. De combinatie van deze twee mechanismen opent een nieuw venster om te kijken naar opkomend gedrag van synchronie en patroonvorming in gestructureerde polariton-kwantumvloeistoffen’, concludeert Helgi Sigurðsson van de Faculteit der Wetenschappen. Natuurkunde, Universiteit van Warschau.

Meer informatie: Antonio Gianfrate et al, Herconfigureerbare kwantumvloeistofmoleculen met gebonden toestanden in het continuüm, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02281-3

Aangeboden door Universiteit van Warschau