Sistemas de matéria condensada e tecnologias fotônicas são regularmente usados ​​por pesquisadores para criar plataformas em microescala que podem simular a dinâmica complexa de muitas partículas quânticas em interação em um ambiente mais acessível. Alguns exemplos incluem conjuntos atômicos ultrafrios em redes ópticas, matrizes supercondutoras e cristais fotônicos e guias de onda. Em 2006, uma nova plataforma surgiu com a demonstração de fluidos quânticos macroscopicamente coerentes de exciton-polaritons para explorar fenômenos quânticos de muitos corpos através de técnicas ópticas.



Quando um pedaço de semicondutor é colocado entre dois espelhos – um microrressonador óptico – as excitações eletrônicas internas podem ser fortemente influenciadas por fótons presos entre os espelhos. As novas partículas quânticas bosônicas resultantes, conhecidas como exciton-polaritons (ou polaritons, para abreviar), podem, nas circunstâncias certas, sofrer uma transição de fase para um condensado de Bose-Einstein sem equilíbrio e formar um fluido quântico macroscópico ou uma gota de luz.

Os fluidos quânticos de polaritons têm muitas propriedades importantes, sendo uma delas o fato de serem opticamente configuráveis ​​​​e legíveis, permitindo medições fáceis da dinâmica do polariton. Isto é o que os torna tão vantajosos para simular a física de muitos corpos.

Os condensados ​​​​Polariton devem ser continuamente bombeados opticamente com lasers externos para reabastecer as partículas, caso contrário, o condensado se dissipa em picossegundos. No entanto, quanto mais você bombeia o condensado, mais energético ele se torna devido às forças repulsivas entre partículas, fazendo com que as partículas escapem do condensado e subsequente decadência das correlações espaciais.

Este é um problema fundamental para simuladores de polariton opticamente programáveis. Os cientistas precisavam encontrar uma maneira de tornar o condensado mais estável e duradouro enquanto ainda era bombeado opticamente.

Cientistas do CNR Nanotec em Lecce e da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia alcançaram esse objetivo usando uma nova geração de redes fotônicas semicondutoras. Em seu artigo intitulado "Moléculas de fluido quântico reconfiguráveis ​​de estados ligados no continuum", publicado na Nature Physics , eles usaram propriedades de comprimento de onda da rede fotônica para imbuir os polaritons com novas propriedades.

Primeiro, os polaritons poderiam ser levados a condensar em um estado de vida ultralongo conhecido como estado ligado no contínuo (BIC). O que é fascinante sobre os BICs é que eles são, em sua maioria, não radiativos devido à proteção imposta pela simetria do continuum externo dos modos fotônicos.

Segundo, os polaritons obtiveram massa efetiva negativa devido à relação de dispersão proveniente da grade. Isso significava que os polaritons bombeados não poderiam mais escapar tão facilmente através dos canais normais de decaimento. Agora, os pesquisadores possuíam fluidos polariton que tinham vida extremamente longa e eram confinados com segurança usando apenas técnicas ópticas.

Combinados, esses mecanismos permitiram que Antonio Gianfrate e Danielle Sanvitto, da CNR Nanotec em Lecce, bombeassem opticamente múltiplas gotículas de polariton que poderiam interagir e hibridizar em complexos macroscópicos. Eles poderiam configurar arranjos e cadeias moleculares sob medida e reversivelmente usando esta nova forma de átomos artificiais:condensados ​​de polaritons BIC de massa negativa.

A propriedade BIC proporcionou aos polaritons vidas muito mais longas, enquanto a propriedade de massa negativa fez com que eles ficassem opticamente presos. As descobertas foram apoiadas por uma teoria BIC Dirac-polariton desenvolvida entre Helgi Sigurdsson (Universidade de Varsóvia), Hai Chau Nguyen (Universidade de Siegen, Alemanha) e Hai Son Nguyen (Univ Lyon, França).

A vantagem final da plataforma é que os complexos quânticos artificiais podem ser totalmente programados opticamente, mas mantêm tempos de vida muito elevados devido à sua proteção do continuum. Isso poderia levar a um novo empreendimento em fluidos quânticos de grande escala opticamente programáveis, definidos por escalas de coerência e estabilidade sem precedentes para laser não linear estruturado e simulação de sistemas complexos baseada em polariton.

"Ainda existem várias maneiras interessantes de explorar este sistema polaritônico artificial de Dirac. Por exemplo, o mecanismo de acoplamento entre gotículas de polariton ao longo e perpendicularmente à direção da grade é muito diferente. Ao longo do guia de ondas, os polaritons são efetivamente partículas de massa negativa fortemente ligadas a seu ponto de bomba.

"Perpendicularmente ao guia de ondas, eles se movem como partículas de massa positiva submetidas a transporte balístico. A mistura desses dois mecanismos abre uma nova janela para observar comportamentos emergentes de sincronia e formação de padrões em fluidos quânticos polariton estruturados, "conclui Helgi Sigurðsson da Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia.

Mais informações: Antonio Gianfrate et al, Moléculas de fluido quântico reconfiguráveis ​​de estados ligados no continuum, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02281-3
Fornecido pela Universidade de Varsóvia