Pesquisadores da Skoltech e da Universidade de Southampton, REINO UNIDO., usaram métodos totalmente óticos para criar uma rede artificial cujos nós abrigam polaritons - quasipartículas que são excitações de meia-luz e meia-matéria em semicondutores. Esta chamada rede de Lieb, o que geralmente não ocorre na natureza, permitiu que a equipe demonstrasse resultados revolucionários importantes para a física da matéria condensada. Da perspectiva dos aplicativos, a rede polariton gerada por laser, relatado em Nature Communications , pode ser usado para o projeto de dispositivos de próxima geração, como computadores ópticos que dependem de gerenciamento de dispersão e luz guiada.

No regime de acoplamento de matéria leve forte, excitações eletrônicas em um semicondutor colocado entre dois espelhos que formam uma microcavidade são fortemente influenciadas pelos fótons aprisionados em seu interior. Isso dá origem a novos modos quânticos chamados de exciton-polaritons, ou apenas polaritons para breve. Eles permitem o estudo de ondas de matéria híbridas e fenômenos fotônicos em microescala. Sob as condições certas, polaritons podem formar estados coerentes de muitos corpos semelhantes aos condensados ​​de Bose-Einstein, fornecendo acesso a dinâmicas não lineares dissipativas exóticas.

Os pesquisadores decidiram explorar como esses condensados ​​se comportam em redes ópticas artificiais normalmente não encontradas na natureza. Para isso, eles usaram um modulador de luz espacial programável para moldar um feixe de laser em uma rede dentro da cavidade, não muito diferente das tampas do apontador laser para projetar padrões extravagantes em superfícies distantes. Os polaritons gerados aumentaram em número e tornaram-se mais energéticos onde o campo de laser era mais intenso. Com uma potência de laser alta o suficiente, os polaritons começaram a formar condensados ​​que residiam nos máximos potenciais da rede. Neste chamado regime balístico, ondas de polariton de alta energia escapando dos condensados ​​espalhados e difratados pela rede.

Os pesquisadores observaram que quando a constante de rede diminuiu, os condensados ​​passaram por uma transição de fase do regime balístico para o caso oposto de condensados ​​profundamente aprisionados agora residindo nos potenciais mínimos da rede. Em constantes de rede intermediárias, o sistema parecia incapaz de "decidir" se as ondas polariton deveriam ser deslocalizadas ou localizadas, e, em vez disso, os condensados ​​se fraturaram em várias energias. Tal transição nunca havia sido observada anteriormente em redes de polariton.

Os pesquisadores então demonstraram que poderiam produzir uma das características mais exóticas da física do estado sólido - bandas de cristal completamente sem dispersão, também conhecido como flatbands - onde a massa das partículas torna-se efetivamente infinita. Para isso, eles projetaram uma rede óptica Lieb, não convencionalmente encontrado na natureza, que é conhecido por possuir flatbands.

O estudo relatado nesta história foi coautor de jovens pesquisadores do Laboratório de Fotônica Híbrida liderado pelo Professor Pavlos Lagoudakis, que forneceu o seguinte comentário sobre as descobertas da equipe:"Nosso laboratório desenvolveu grande experiência em redes ópticas de condensados ​​de polariton, e com este trabalho demos mais um passo em frente. Esses resultados serão de grande interesse para uma ampla comunidade científica que abrange a óptica não linear, Física de matéria condensada, átomos frios, física da matéria leve, e polaritônicos. Esta é a primeira demonstração de fases não triviais da matéria e engenharia de banda plana em redes polariton geradas opticamente. Anteriormente, estados de banda plana em sistemas polariton só foram mostrados em estruturas escritas litograficamente. "

O primeiro autor do artigo, o físico experimental Dr. Sergey Alyatkin de Skoltech, e seu colega, físico teórico Dr. Helgi Sigurdsson da Universidade de Southampton, adicionado, "Nosso trabalho é uma demonstração muito boa dos avanços em controle óptico e riqueza no campo da polaritônica. Quanto mais estudamos polaritons de microcavidades em redes, os efeitos mais interessantes que observamos. Nossos últimos resultados abriram um caminho para a física inexplorada de misturas de rede não estacionária de quasipartículas de onda de matéria, e não nos limitamos a um tipo específico de rede investigada. "