n quasipartículas conhecidas como polaritons, estados de luz e matéria estão fortemente acoplados. O grupo do Prof. Ataç İmamoğlu desenvolveu agora uma nova abordagem para estudar propriedades ópticas não lineares de polaritons em estados eletrônicos fortemente correlacionados. Ao fazer isso, eles abriram novas perspectivas para explorar os dois ingredientes do polariton:novas funcionalidades para dispositivos fotônicos e uma visão fundamental dos estados exóticos da matéria.

O conceito de 'quasipartículas' é uma estrutura altamente bem-sucedida para a descrição de fenômenos complexos que emergem em sistemas de muitos corpos. Uma espécie de quasipartículas que, em particular, tem atraído interesse nos últimos anos são os polaritons em materiais semicondutores. Eles são criados pelo brilho de luz em um semicondutor, onde os fótons excitam ondas de polarização eletrônica, chamados excitons. O processo de criação é seguido por um período durante o qual a dinâmica do sistema pode ser descrita como a de uma entidade parecida com uma partícula que não é luz nem matéria, mas uma superposição dos dois. Somente quando essas quasipartículas de matéria leve misturadas decaem - normalmente na escala de tempo de picossegundos - os fótons recuperam sua identidade individual. Escrevendo no jornal Natureza , Patrick Knüppel e colegas do grupo do Professor Ataç Imamoglu do Departamento de Física da ETH Zurich agora descrevem experimentos nos quais os fótons liberados revelam informações únicas sobre o semicondutor que acabaram de sair; ao mesmo tempo, os fótons foram modificados de maneiras que não seriam possíveis sem interagir com o material semicondutor.

Ensinando novos truques aos fótons

Muito do interesse recente em polaritons vem da perspectiva de que eles abram novas capacidades intrigantes em fotônica. Especificamente, polaritons fornecem um meio de permitir que os fótons façam algo que os fótons não podem fazer por conta própria:interagir uns com os outros. Os raios de luz normalmente passam um através do outro. Por contraste, os fótons que estão ligados em polaritons podem interagir através da parte matéria deste último. Uma vez que essa interação pode se tornar suficientemente forte, as propriedades dos fótons podem ser aproveitadas de novas maneiras, por exemplo, para processamento de informação quântica ou em novos materiais quânticos ópticos. Contudo, alcançar interações fortes o suficiente para tais aplicativos não é tarefa fácil.

Tudo começa com a criação de polaritons em primeiro lugar. O material semicondutor que hospeda o sistema eletrônico deve ser colocado em uma cavidade óptica, para facilitar o forte acoplamento entre matéria e luz. A criação de tais estruturas é algo que o grupo de Imamoglu aperfeiçoou ao longo dos anos, em colaboração com outros, em particular com o grupo do Professor Werner Wegscheider, também no Departamento de Física da ETH Zurique. Um desafio separado é fazer com que a interação entre os polaritons seja forte o suficiente para que eles tenham um efeito considerável durante o curto tempo de vida das quase-partículas. Como alcançar essa forte interação polariton-polariton é atualmente um grande problema em aberto no campo, dificultando o progresso em direção às aplicações práticas. E aqui Knüppel et al. já deram uma contribuição substancial com seu trabalho mais recente.

Marcas de forte interação

Os físicos da ETH descobriram uma maneira inesperada de aumentar a interação entre os polaritons, a saber, preparando adequadamente os elétrons com os quais os fótons estão prestes a interagir. Especificamente, eles começaram com os elétrons inicialmente no chamado regime de Hall quântico fracionário, onde os elétrons estão confinados a duas dimensões e expostos a um alto campo magnético, para formar estados altamente correlacionados inteiramente impulsionados por interações elétron-elétron. Para valores específicos do campo magnético aplicado - que determina o chamado fator de preenchimento que caracteriza o estado Hall quântico - eles observaram que os fótons brilharam e refletiram da amostra mostraram assinaturas claras de acoplamento óptico aos estados Hall quânticos (veja a figura).

Mais importante, a dependência do sinal óptico no fator de preenchimento do sistema eletrônico também apareceu na parte não linear do sinal, um forte indicador de que os polaritons interagiram entre si. No regime de Hall quântico fracionário, as interações polariton-polariton foram até um fator de dez mais fortes do que em experimentos com os elétrons fora desse regime. Esse aprimoramento em uma ordem de magnitude é um avanço significativo em relação às capacidades atuais, e pode ser o suficiente para permitir demonstrações importantes de 'polaritônica' (como o bloqueio polariton forte). Isso não menos importante, como nos experimentos de Knüppel et al. o aumento nas interações não ocorre às custas do tempo de vida do polariton, em contraste com muitas tentativas anteriores.

O poder, e desafios, de óptica não linear

Além das implicações para a manipulação da luz, esses experimentos também levam a caracterização óptica dos estados de muitos corpos de sistemas eletrônicos bidimensionais a um novo nível. Eles estabelecem como separar a contribuição não linear fraca para o sinal da linear dominante. Isso foi possível por meio de um novo tipo de experimento que os pesquisadores da ETH desenvolveram. Um grande desafio foi lidar com a necessidade de iluminar a amostra com luz de potência relativamente alta, para ajustar o sinal não linear fraco. Para garantir que os fótons que incidem sobre o semicondutor não causem modificações indesejadas no sistema de elétrons, em particular, ionização de cargas presas - a equipe Imamoglu-Wegscheider projetou uma estrutura de amostra que reduziu a sensibilidade à luz, e eles realizaram experimentos com excitação pulsada em vez de contínua, para minimizar a exposição à luz.

O conjunto de ferramentas agora desenvolvido para medir a resposta óptica não linear dos estados quânticos Hall deve permitir uma nova visão além do que é possível com medições ópticas lineares ou nos experimentos de transporte tradicionalmente usados. Esta é uma boa notícia para aqueles que estudam a interação entre excitações fotônicas e sistemas de elétrons bidimensionais - um campo no qual não faltam problemas científicos abertos.