Волновод с субволновой решеткой, поддерживающий капли поляритонов (визуализация: Антонио Джанфрате, Фото: CNR Nanotec, под редакцией)
Ученые продвинулись в этой области, стабилизируя экситон-поляритоны в полупроводниковых фотонных решетках, создавая долгоживущие и оптически конфигурируемые квантовые жидкости, подходящие для моделирования сложных систем.
Исследователи из CNR Nanotec в Лечче и физического факультета Варшавского университета использовали новое поколение полупроводниковых фотонных решеток для оптической адаптации комплексов квантовых капель света, которые соединялись в макроскопические когерентные состояния. Исследование лежит в основе нового метода моделирования и исследования взаимодействий между искусственными атомами с возможностью высокой степени реконфигурации с использованием оптики. Результаты опубликованы в престижном журнале Физика природы.
Технологии квантового моделирования
Системы конденсированного состояния и фотонные технологии регулярно используются исследователями для создания микромасштабных платформ, которые могут моделировать сложную динамику множества взаимодействующих квантовых частиц в более доступных условиях. Некоторые примеры включают ансамбли ультрахолодных атомов в оптических решетках, сверхпроводящие массивы, а также фотонные кристаллы и волноводы. В 2006 году появилась новая платформа с демонстрацией макроскопически когерентных квантовых жидкостей экситон-поляритонов для исследования квантовых явлений многих тел с помощью оптических методов.
Экситон-поляритоны и квантовые жидкости
Когда кусок полупроводника помещается между двумя зеркалами (оптический микрорезонатор), электронные возбуждения внутри него могут оказаться под сильным влиянием фотонов, захваченных между зеркалами. Получающиеся в результате новые бозонные квантовые частицы, известные как экситон-поляритоны (или для краткости поляритоны), могут при определенных обстоятельствах претерпевать фазовый переход в неравновесный конденсат Бозе-Эйнштейна и образовывать макроскопическую квантовую жидкость или каплю света. Квантовые жидкости поляритонов обладают многими важными свойствами, одним из которых является то, что они оптически настраиваются и считываются, что позволяет легко измерять динамику поляритонов. Именно это делает их такими выгодными для моделирования физики многих тел.
Проблемы стабильности и прокачки
Конденсаты поляритонов необходимо непрерывно оптически накачивать внешними лазерами для пополнения частиц, в противном случае конденсат рассеивается за пикосекунды. Однако чем сильнее вы перекачиваете конденсат, тем более энергичным он становится из-за сил отталкивания между частицами, что приводит к выходу частиц из конденсата и последующему распаду пространственных корреляций. Это фундаментальная проблема для оптически программируемых симуляторов поляритонов. Ученым нужно было найти способ сделать конденсат более стабильным и долговечным, сохраняя при этом оптическую накачку.
Достижения в области стабильности поляритонов
Ученые из CNR Nanotec в Лечче и физического факультета Варшавского университета достигли этой цели, используя новое поколение полупроводниковых фотонных решеток. В своей статье под названием «Реконфигурируемые молекулы квантовой жидкости связанных состояний в континууме», опубликованной в Физика природыОни использовали субволновые свойства фотонной решетки, чтобы придать поляритонам новые свойства. Во-первых, поляритоны могут конденсироваться в состояние со сверхдлительным временем жизни, известное как связанное состояние в континууме (BIC). Самое интересное в BIC заключается в том, что они в основном не излучают из-за симметрии, обеспечивающей защиту от внешнего континуума фотонных мод. Во-вторых, поляритоны получили отрицательную эффективную массу из-за закона дисперсии, исходящего от решетки. Это означало, что накачанные поляритоны больше не могли так легко выходить через обычные каналы распада. Теперь исследователи располагали поляритонными жидкостями, которые были чрезвычайно долгоживущими и безопасно удерживались с помощью только оптических методов.
В совокупности эти механизмы позволили Антонио Джанфрате и Даниэль Санвитто из CNR Nanotec в Лечче оптически накачивать несколько капель поляритонов, которые могли взаимодействовать и гибридизоваться в макроскопические комплексы. Они могли бы адаптировать и обратимо конфигурировать молекулярные структуры и цепи, используя эту новую форму искусственных атомов: конденсаты BIC-поляритонов с отрицательной массой. Свойство BIC обеспечило поляритонам гораздо более длительное время жизни, тогда как свойство отрицательной массы привело к их оптической ловушке. Результаты были подтверждены теорией поляритонов Дирака BIC, разработанной Хельги Сигурдссоном (Варшавский университет), Хай Чау Нгуеном (Университет Зигена, Германия) и Хай Сон Нгуеном (Лионский университет, Франция).
Главным преимуществом платформы является то, что искусственные квантовые комплексы могут быть полностью запрограммированы оптически, но при этом сохраняют очень высокий срок службы из-за их защиты от континуума. Это может привести к новому проекту в области оптически программируемых крупномасштабных квантовых жидкостей, характеризующихся беспрецедентными масштабами когерентности и стабильностью, для структурированной нелинейной генерации и моделирования сложных систем на основе поляритонов.
«Есть еще несколько интересных способов исследования этой искусственной поляритонной системы Дирака. Например, механизм связи между каплями поляритонов вдоль и перпендикулярно направлению решетки сильно различается. Вдоль волновода поляритоны фактически представляют собой частицы отрицательной массы, прочно связанные со своим пятном накачки. Перпендикулярно волноводу они движутся как частицы положительной массы, подвергающиеся баллистическому переносу. Сочетание этих двух механизмов открывает новое окно для изучения возникающих явлений синхронности и формирования структур в структурированных поляритонных квантовых жидкостях», — заключает Хельги Сигурдссон с физического факультета Варшавского университета.
Ссылка: «Реконфигурируемые молекулы квантовой жидкости связанных состояний в континууме» Антонио Джанфрате, Хельги Сигурдссон, Винченцо Ардиццоне, Хай Чау Нгуен, Фабрицио Риминуччи, Мария Эфтимиу-Цирони, Кирк В. Болдуин, Лорен Н. Пфайффер, Димитриос Трипогеоргос, Милена Де Джорджи, Дарио Балларини, Хай Сон Нгуен и Даниэле Санвитто, 4 января 2024 г., Физика природы.
DOI: 10.1038/s41567-023-02281-3
Международная группа ученых провела исследование при поддержке гранта Национального научного центра (2022/45/P/ST3/00467), совместно финансируемого Рамочной программой Европейского Союза по исследованиям и инновациям Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри (№ .945339).