Pesquisadores da ANU provaram recentemente um novo método para gerar estados de momento angular orbital (vórtices), com carga topológica garantida por um ponto excepcional.

Estudos recentes na ANU resolvem um problema notável na física exciton-polariton, e abrir excitantes direções futuras de pesquisa no campo.

O trabalho do ex-pesquisador de pós-doutorado da ANU, Tingge Gao, e dos pesquisadores da FLEET, Guangyao Li, Eli Estrecho e Elena Ostrovskaya, junto com colaboradores da ANU e internacionalmente, resultou na observação da função de onda exciton-polariton em um ponto especial no espaço de parâmetros que é conhecido como um 'ponto excepcional' (EP).

O EP exibe uma quiralidade inerente ou 'lateralidade' que os pesquisadores empregaram para gerar vórtices em um fluido quântico exciton-polariton.

Pontos de exceção e partículas de matéria leve

Os pontos excepcionais surgem quando as ressonâncias coincidem em um sistema com ganho e perda, resultando na fusão das funções de onda correspondentes.

Como o nome sugere, um EP apresenta comportamento contra-intuitivo e é um foco de pesquisa intensa recente em sistemas clássicos, como ótica, microondas, plasmônica, acústica, e optomecânica.

Por causa da topologia não trivial do EP, a fusão das funções de onda resulta em uma 'lateralidade' (quiralidade) bem definida.

Contudo, esta quiralidade não havia sido demonstrada anteriormente em nenhum sistema quântico. O estudo ANU foi a primeira demonstração de tal estado quiral em um EP em um sistema quântico macroscópico de exciton-polaritons condensados.

Exciton-polaritons são partículas híbridas que são parte matéria e parte luz, unidos por forte acoplamento dentro de microcavidades semicondutoras, onde podem formar um condensado de Bose-Einstein.

Mais importante, a existência de EPs e a fase topológica associada em exciton-polaritons foi demonstrada pela primeira vez pelo grupo ANU em 2015. Este resultado abriu o caminho para estudos adicionais de física quântica 'não-Hermitiana' de exciton-polaritons, que pode revelar novos princípios operacionais para dispositivos baseados em polariton.

No laboratório polariton-BEC da ANU, pesquisadores geraram fluxos de vórtice com destreza fixa (quiralidade) em fluidos quânticos exciton-polariton ajustando cuidadosamente a forma do ressonador induzida pela luz.

Trabalhos anteriores do mesmo grupo já mostraram a geração de vórtices, usando a forma quiral da paisagem potencial.

Neste novo trabalho, a quiralidade surge da topologia do EP, e não do potencial induzido pela luz.

Isso foi conseguido conduzindo duas ressonâncias correspondentes aos modos dipolo não quirais (dois lóbulos) um em direção ao outro. Perto de um EP, a interferência desses modos resultou em um estado quiral, que é um fluxo de vórtice.

O trabalho demonstra um novo método para gerar estados de momento angular orbital com uma carga topológica que é protegida pela topologia não trivial do PE.

A pesquisa foi liderada pelo ex-pesquisador de pós-doutorado da ANU, Tingge Gao.

A quiralidade de um modo em um EP é uma propriedade fundamental de sistemas com ganho e perda (conhecidos como sistemas não Hermitianos) e foi demonstrada anteriormente em ondas clássicas (em particular em sistemas ópticos e de micro-ondas). O trabalho ANU marca a primeira observação desse tipo em um sistema quântico.

O trabalho abre uma direção de pesquisa futura empolgante na física exciton-polariton:a exploração de propriedades não triviais de EPs dentro de um sistema quântico pode levar a avanços ainda mais interessantes, como detecção aprimorada e comutação topológica, que até agora foram demonstrados apenas em sistemas clássicos.

Além disso, o trabalho incentiva futuros estudos experimentais de física não-Hermitiana, incluindo agrupamento de EPs e criação de EPs de ordem superior em um sistema quântico macroscópico.

O estudo dos modos quirais em pontos excepcionais em fluidos quânticos exciton-polariton foi publicado em Cartas de revisão física em fevereiro de 2018.