Pesquisadores do Hybrid Photonics Laboratories em Skoltech e Southampton (Reino Unido), em colaboração com a Lancaster University (Reino Unido), demonstraram um novo método óptico para sintetizar estruturas de cristal de estado sólido artificiais para polaritons de cavidade usando apenas luz laser. Os resultados podem levar à realização de circuitos polariton programáveis ​​em campo e novas estratégias para criar luz guiada e confinamento robusto de fontes de luz coerentes. Os resultados foram publicados recentemente na revista. Nature Communications .

A criação de redes artificiais para partículas quânticas permite aos pesquisadores explorar a física em um ambiente que pode não ser convencionalmente encontrado na natureza. As redes artificiais são especialmente atraentes, uma vez que suas simetrias geralmente levam a modelos que podem ser resolvidos com exatidão e a uma compreensão transparente de suas propriedades. Projetando-os, Contudo, é uma tarefa desafiadora com flexibilidade limitada. Os materiais precisam ser irreversivelmente projetados para fazer o trabalho, e mesmo as técnicas de rede óptica para átomos frios não podem produzir formas de rede arbitrárias.

Os pesquisadores, Dra. Lucy Pickup (Southampton), Dr. Helgi Sigurdsson (Southampton e Skoltech), Prof Janne Ruostekoski (Lancaster), e Prof Pavlos Lagoudakis (Skoltech e Southampton), superou esse desafio desenvolvendo um novo método para criar redes artificiais de forma arbitrária e reprogramáveis ​​usando apenas luz laser estruturada. A reprogramação significava que o sistema cavity-polariton poderia ser alterado de uma rede para outra sem a necessidade dispendiosa de projetar um novo sistema a partir do zero.

Quando a luz do laser atinge um poço quântico semicondutor, excita elétrons e buracos, bem como estados ligados dos dois conhecidos como excitons. Quando o poço quântico é colocado entre dois espelhos, formando uma armadilha (ou uma cavidade) para os fótons, algumas das partículas de exciton tornam-se revestidas de fótons, formando uma meia-luz exótica, quasipartículas de meia matéria conhecidas como polaritons de excitons ou polaritons de cavidade.

Exciton-polaritons são interativos e ricocheteiam freqüentemente uns nos outros. Contudo, eles também refletem os elétrons normais, buracos e excitons no fundo. Os pesquisadores mostraram que, ao aplicar luz laser de forma geometricamente estruturada, os exciton-polaritons começaram a saltar dos elétrons excitados, furos, e excitons seguindo a forma do laser. Em outras palavras, os exciton-polaritons começaram a experimentar uma paisagem potencial sintética impressa pelo laser.

As paisagens potenciais geradas por laser são sentidas apenas pelos exciton-polaritons e não pelos fótons dentro da cavidade, distinguir o sistema de cristais fotônicos. Ao criar um padrão de laser com simetria translacional, os pesquisadores produziram a assinatura fundamental dos sistemas de estado sólido, a formação de bandas de energia de cristal para exciton-polaritons como aquelas para elétrons em materiais de estado sólido.

"Os resultados abrem um caminho para estudar a física quântica de muitos corpos dissipativa em um ambiente de rede com propriedades que não podem ser reproduzidas em sistemas quânticos normais de Hermit, "Dra. Lucy Pickup, coautor do artigo, diz.

O Dr. Helgi Sigurdsson acrescenta:"É um desenvolvimento estimulante para o campo relativamente novo da física topológica não hermitiana."

As bandas produzidas podem ser reconfiguradas simplesmente ajustando o padrão do laser, permitindo um método não invasivo para acessar a física quântica em redes artificiais. Os resultados podem ser úteis em uma variedade de aplicações, incluindo comunicações baseadas em ótica, processando informação, detectores de alta sensibilidade para fins biomédicos e lasing protegido topologicamente. Os resultados também abrem um caminho para estudar a física fundamental da rede de muitos corpos em um ambiente quântico aberto (não hermitiano).