A compreensão da física quântica envolveu a criação de uma ampla gama de quasipartículas. Essas construções nocionais descrevem fenômenos emergentes que parecem ter as propriedades de várias outras partículas misturadas.

Um exciton, por exemplo, é uma quase-partícula que atua como um elétron ligado a um buraco eletrônico, ou o espaço vazio em um material semicondutor onde um elétron poderia estar. Um passo a frente, um exciton-polariton combina as propriedades de um exciton com a de um fóton, fazendo com que se comporte como uma combinação de matéria e luz. Alcançar e controlar ativamente a mistura certa dessas propriedades, como sua massa, Rapidez, direção do movimento e capacidade de interagir fortemente uns com os outros - é a chave para aplicar fenômenos quânticos à tecnologia, como computadores.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia são os primeiros a criar uma forma ainda mais exótica de exciton-polariton, um que tem um spin quântico definido que está bloqueado em sua direção de movimento. Dependendo da direção de seu giro, esses exciton-polaritons topológicos helicoidais se movem em direções opostas ao longo da superfície de um tipo igualmente especializado de isolante topológico.

Em um estudo publicado na revista Ciência , eles demonstraram esse fenômeno em temperaturas muito mais altas do que o quase zero absoluto normalmente necessário para manter esse tipo de fenômeno quântico. A capacidade de rotear essas quasipartículas com base em seu spin em condições mais amigáveis, e um ambiente onde eles não se espalhem, abre a possibilidade de usá-los para transmitir informações ou realizar cálculos em velocidades sem precedentes.

O estudo foi liderado por Ritesh Agarwal, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e Wenjing Liu, um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Eles colaboraram com pesquisadores da Hunan University e George Washington University.

O estudo também demonstra um novo tipo de isolante topológico, uma classe de material desenvolvida na Penn por Charles Kane e Eugene Mele que possui uma superfície condutora e um núcleo isolante. Isoladores topológicos são valorizados por sua capacidade de propagar elétrons em sua superfície sem espalhá-los, e a mesma ideia pode ser estendida a quase-partículas, como fótons ou polaritons.

"Substituir elétrons por fótons tornaria os computadores e outras tecnologias ainda mais rápidos, mas os fótons são muito difíceis de modular, rota ou troca. Eles não podem ser transportados em curvas fechadas e vazar para fora do guia de ondas, "Agarwal diz." É aqui que os exciton-polaritons topológicos podem ser úteis, mas isso significa que precisamos fazer novos tipos de isoladores topológicos que possam funcionar com polaritons. Se pudéssemos fazer este tipo de material quântico, poderíamos encaminhar exciton-polaritons ao longo de certos canais sem qualquer espalhamento, bem como modulá-los ou trocá-los por meio de campos elétricos aplicados externamente ou por ligeiras mudanças de temperatura. "

O grupo de Agarwal criou vários tipos de isoladores topológicos fotônicos no passado. Enquanto o primeiro isolador topológico polariton "quiral" foi relatado por um grupo na Europa, funcionou a temperaturas extremamente baixas, embora exigindo fortes campos magnéticos. A peça que faltava, e distinção entre "quiral" e "helicoidal", neste caso, era a capacidade de controlar a direção do fluxo por meio do giro das quasipartículas.

“Para criar esta fase, usamos um semicondutor atomicamente fino, dissulfeto de tungstênio, que forma excitons fortemente ligados, e o acoplou fortemente a um cristal fotônico adequadamente projetado por meio de engenharia de simetria. Isso induziu topologia não trivial aos polaritons resultantes, "Agarwal diz." Na interface entre os cristais fotônicos com topologia diferente, demonstramos a geração de polaritons topológicos helicoidais que não se espalharam em cantos agudos ou defeitos, bem como transporte dependente de spin. "

Agarwal e seus colegas conduziram o estudo em 200K, ou aproximadamente -100F sem a necessidade de aplicar nenhum campo magnético. Embora pareça frio, é consideravelmente mais quente - e mais fácil de conseguir - do que sistemas semelhantes que operam em 4K, ou aproximadamente -450F.

Eles estão confiantes de que pesquisas adicionais e técnicas de fabricação aprimoradas para seus materiais semicondutores permitirão facilmente que seu projeto opere em temperatura ambiente.

“Do ponto de vista acadêmico, 200K já é quase a temperatura ambiente, então, pequenos avanços na pureza do material poderiam facilmente levá-lo a trabalhar em condições ambientais, "diz Agarwal." Atomicamente fino, Materiais '2-D' formam excitons muito fortes que sobrevivem à temperatura ambiente e além, por isso pensamos que precisamos apenas de pequenas modificações na forma como nossos materiais são montados. "

O grupo de Agarwal está agora trabalhando no estudo de como os polaritons topológicos interagem uns com os outros, o que os levaria um passo mais perto de usá-los em dispositivos fotônicos práticos.