Estruturas de banda de uma correia transportadora polariton. a, Um diagrama da excitação da amostra. O ângulo entre os lasers controla a periodicidade da franja, enquanto o deslocamento de frequência controla sua velocidade e movimento. b, Exemplo de tomografia de espaço real (intensidade normalizada) logo abaixo e logo acima do limiar de condensação. O diagrama vermelho na parte superior corresponde à intensidade do padrão de interferência do laser. c, Exemplo de estruturas de banda (intensidade normalizada) em deslocamento de frequência zero para diferentes períodos e profundidades da rede. d, O tamanho médio do primeiro e do segundo BZs em funções de ∆k laser . Crédito:Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01424-z Usando a interferência entre dois lasers, um grupo de pesquisa liderado por cientistas da RIKEN e da NTT Research criou uma "correia transportadora óptica" que pode mover polaritons - um tipo de partícula híbrida de matéria leve - em microcavidades baseadas em semicondutores. Este trabalho poderá levar ao desenvolvimento de novos dispositivos com aplicações em áreas como metrologia quântica e informação quântica.
Para o estudo atual, publicado na Nature Photonics , os cientistas usaram a interferência entre dois lasers para criar uma paisagem dinâmica de energia potencial - imagine uma paisagem de vales e colinas, em constante movimento repetido - para um estado de polaritons coerente, semelhante ao laser, conhecido como condensado de polariton.
Eles conseguiram isso introduzindo uma nova ferramenta óptica – uma correia transportadora óptica – para permitir o controle da paisagem energética, concretamente, as profundidades da rede e as interações entre partículas vizinhas.
Ajustando ainda mais a diferença de frequência entre os dois lasers, a correia transportadora se move a velocidades da ordem de 0,1% da velocidade da luz, levando os polaritons a um novo estado.
A não reciprocidade – um fenômeno em que a dinâmica do sistema é diferente em direções opostas – é um ingrediente crucial para criar o que é conhecido como fase topológica artificial da matéria. Topologia é a classificação matemática de objetos contando o número de "buracos", por exemplo, uma rosquinha ou um nó pode ter um número finito de buracos, enquanto uma bola não tem nenhum.
Os materiais quânticos também podem ser projetados com uma topologia diferente de zero, que neste caso é incorporada de forma mais abstrata na estrutura da banda. Esses materiais podem apresentar comportamentos como transporte sem dissipação, o que significa que podem se mover sem perda de energia, e outros fenômenos quânticos exóticos.
É extremamente desafiador introduzir a não reciprocidade em plataformas ópticas projetadas, e esta demonstração experimental simples e extensível abre novas oportunidades para tecnologias quânticas emergentes incorporarem topologia funcional.
O grupo de pesquisa, incluindo o primeiro autor Yago del Valle Inclan Redondo, e liderado pelo cientista pesquisador sênior Michael Fraser, ambos da RIKEN CEMS e NTT Research, juntamente com colaboradores da Alemanha, Cingapura e Austrália, conduziram um estudo nessa direção.
Fraser diz:"Criamos um estado topológico de luz em uma estrutura semicondutora por um mecanismo que envolve modulação rápida da paisagem energética, resultando na introdução de uma dimensão sintética."
Uma dimensão sintética é um método de mapear uma dimensão não espacial, neste caso o tempo, em uma dimensão semelhante ao espaço, de modo que a dinâmica do sistema possa evoluir em um número maior de dimensões e tornar-se mais adequada para a realização da matéria topológica.
Este trabalho se estende a uma técnica desenvolvida pelo grupo, publicada no ano passado, que utilizou de forma semelhante lasers modulados temporalmente para impulsionar a rápida rotação de condensados de polariton.
Utilizando este esquema experimental simples envolvendo a interferência entre dois lasers, os cientistas conseguiram organizar polaritons precisamente nas dimensões certas para criar uma estrutura de banda artificial, o que significa que as partículas se organizaram em bandas de energia como os electrões num material.
Ao ajustar as dimensões, profundidade e velocidade da rede óptica polariton, é alcançado o controle sobre a estrutura da banda. Graças a este movimento rápido, os polaritons veem uma paisagem de energia potencial diferente dependendo se estão se propagando com ou contra o fluxo da rede, um efeito que é análogo ao deslocamento Doppler do som.
Esta resposta assimétrica dos polaritons confinados quebra a simetria de reversão de tempo, levando à não reciprocidade e à formação de uma estrutura de banda topológica.
"Estados fotônicos com propriedades topológicas podem ser usados em dispositivos optoeletrônicos avançados onde a topologia pode melhorar muito o desempenho de dispositivos, circuitos e redes ópticas, como reduzindo ruído e potências de limite de laser, e guia de onda óptica sem dissipação.
“Além disso, a simplicidade e robustez da nossa técnica abre novas oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos topológicos com aplicações em metrologia quântica e informação quântica”, conclui Fraser.
