Pesquisadores da Skoltech e da Universidade de Cambridge mostraram que polaritons, as partículas peculiares que podem acabar gerindo os supercomputadores quânticos do futuro, podem formar estruturas que se comportam como moléculas - e essas "moléculas artificiais" podem ser projetadas sob demanda. O artigo que descreve esses resultados foi publicado na revista. Revisão Física B .

Polaritons são partículas quânticas que consistem em um fóton e um exciton, outra quase-partícula, casando luz e matéria em uma união curiosa que abre uma infinidade de possibilidades em dispositivos polaritônicos de próxima geração. Alexander Johnston, Kirill Kalinin e Natalia Berloff, professor do Centro Skoltech de Fotônica e Materiais Quânticos e da Universidade de Cambridge, mostraram que condensados ​​polariton geometricamente acoplados, que aparecem em dispositivos semicondutores, são capazes de simular moléculas com várias propriedades.

Moléculas comuns são grupos de átomos unidos por ligações moleculares, e suas propriedades físicas diferem das de seus átomos constituintes drasticamente:considere a molécula de água, H2O, e hidrogênio elementar e oxigênio. “No nosso trabalho, mostramos que aglomerados de condensados ​​polaritônicos e fotônicos em interação podem formar uma gama de entidades exóticas e inteiramente distintas - "moléculas" - que podem ser manipuladas artificialmente. Essas "moléculas artificiais" possuem novos estados de energia, propriedades ópticas, e modos vibracionais daqueles dos condensados ​​que os compõem, "Johnston, do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica da Universidade de Cambridge, explica.

Quando os pesquisadores estavam executando simulações numéricas de dois, três, e quatro condensados ​​polariton interagentes, eles notaram alguns curiosos estados estacionários assimétricos nos quais nem todos os condensados ​​têm a mesma densidade em seu estado fundamental. "Após uma investigação mais aprofundada, descobrimos que esses estados vêm em uma ampla variedade de formas diferentes, que pode ser controlado pela manipulação de certos parâmetros físicos do sistema. Isso nos levou a propor fenômenos como "moléculas de polariton artificiais" e a investigar seus usos potenciais em sistemas de informação quântica, "Diz Johnston.

Em particular, a equipe se concentrou em uma "díade assimétrica, "que consiste em dois condensados ​​interagindo com ocupações desiguais. Quando duas dessas díades são combinadas em uma estrutura de tétrades, o último é, em algum sentido, análogo a uma molécula homonuclear - por exemplo, para o hidrogênio molecular H2. Além disso, moléculas de polariton artificiais também podem formar estruturas mais elaboradas, que podem ser considerados como "compostos de polariton artificiais".

“Não há nada que impeça a criação de estruturas mais complexas. em nosso trabalho, descobrimos que existe uma ampla gama de exóticos, estados assimétricos possíveis em configurações de tétrades. Em alguns deles, todos os condensados ​​têm densidades diferentes (apesar de todos os acoplamentos serem de igual resistência), convidando a uma analogia com compostos químicos, "Alexander Johnston observa.

Em estruturas específicas de tétrades, cada díade assimétrica pode ser vista como um "spin individual, "definido pela orientação da assimetria de densidade. Isso tem consequências interessantes para os graus de liberdade do sistema (os parâmetros físicos independentes necessários para definir estados); os" spins "introduzem um grau de liberdade discreto, além dos graus de liberdade contínuos dados pelas fases condensadas.

A orientação relativa de cada uma das díades pode ser controlada variando a força de acoplamento entre elas. Uma vez que os sistemas de informação quântica podem potencialmente ter maior precisão e eficiência se utilizarem algum tipo de sistema híbrido discreto-contínuo, a equipe, portanto, propôs esta estrutura de tétrade híbrida como uma base potencial para tal sistema.

"Além disso, descobrimos uma infinidade de estados assimétricos exóticos em sistemas de tríades e tétrades. É possível fazer uma transição perfeita entre esses estados simplesmente variando a força de bombeamento usada para formar os condensados. Esta propriedade sugere que tais estados podem formar a base de um sistema lógico polaritônico multivalorado, que poderia permitir o desenvolvimento de dispositivos polaritônicos que dissipam significativamente menos energia do que os métodos tradicionais e, potencialmente, operar ordens de magnitude mais rápido, "Professor Berloff diz.