Una collaborazione di ricerca internazionale dalla Polonia, il Regno Unito e la Russia hanno creato un sistema bidimensionale, una sottile cavità ottica piena di cristalli liquidi, in cui hanno intrappolato i fotoni. Poiché le proprietà della cavità sono state modificate da una tensione esterna, i fotoni si comportavano come quasiparticelle massicce dotate di momento magnetico, chiamato "giro, " sotto l'influenza di un campo magnetico artificiale. La ricerca è stata pubblicata in Scienza di venerdì, 8 novembre 2019.

Il mondo che ci circonda ha una dimensione temporale e tre spaziali. I fisici che studiano la materia condensata si occupano da tempo di sistemi di dimensionalità inferiore:pozzi quantistici bidimensionali (2-D), fili quantici unidimensionali (1-D) e punti quantici zero-dimensionali (0-D). I sistemi 2-D hanno trovato le più ampie applicazioni tecniche:è grazie alle dimensioni ridotte che efficienti LED e diodi laser, transistor veloci nei circuiti integrati, e gli amplificatori radio WiFi funzionano. Gli elettroni intrappolati in due dimensioni possono comportarsi in modo completamente diverso dagli elettroni liberi. Per esempio, nel grafene, una struttura in carbonio bidimensionale con simmetria a nido d'ape, gli elettroni si comportano come oggetti privi di massa, cioè particelle di luce chiamate fotoni.

Gli elettroni in un cristallo interagiscono tra loro e con il reticolo cristallino, creando un sistema complesso la cui descrizione è possibile grazie all'introduzione del concetto di cosiddette quasiparticelle. Proprietà di queste quasiparticelle, compresa la carica elettrica, momento magnetico e massa, dipendono dalla simmetria del cristallo e dalla sua dimensione spaziale. I fisici possono creare materiali con dimensioni ridotte, scoprendo "quasi-universi" pieni di quasiparticelle esotiche. L'elettrone senza massa nel grafene bidimensionale ne è un esempio.

Queste scoperte hanno ispirato i ricercatori dell'Università di Varsavia, l'Università Militare Polacca di Tecnologia, l'Istituto di Fisica dell'Accademia polacca delle scienze, l'Università di Southampton e l'Istituto Skolkovo vicino a Mosca, per studiare la luce intrappolata in strutture bidimensionali:cavità ottiche.

Gli autori di Scienza la carta ha creato una cavità ottica in cui hanno intrappolato i fotoni tra due specchi. L'idea originale era di riempire la cavità con un materiale a cristalli liquidi che fungesse da mezzo ottico. Sotto l'influenza di una tensione esterna, le molecole di questo mezzo possono ruotare e modificare la lunghezza del percorso ottico. A causa di ciò, è stato possibile creare onde stazionarie di luce nella cavità, la cui energia (frequenza delle vibrazioni) era diversa quando il campo elettrico dell'onda (polarizzazione) era diretto attraverso le molecole e diversa per la polarizzazione lungo il loro asse (questo fenomeno è chiamato anisotropia ottica).

Durante la ricerca, condotto presso l'Università di Varsavia, il comportamento unico dei fotoni intrappolati nella cavità è stato scoperto poiché si comportavano come quasiparticelle portatrici di massa. Tali quasiparticelle sono state osservate in precedenza, ma erano difficili da manipolare perché la luce non reagiva ai campi elettrici o magnetici. Questa volta, è stato notato che quando l'anisotropia ottica del materiale a cristalli liquidi nella cavità è stata modificata, i fotoni intrappolati si comportavano come quasiparticelle dotate di momento magnetico, o uno "spin" in un "campo magnetico artificiale". La polarizzazione dell'onda elettromagnetica ha svolto il ruolo di "spin" per la luce nella cavità. Il comportamento della luce in questo sistema è più facile da spiegare usando l'analogia del comportamento degli elettroni nella materia condensata.

Le equazioni che descrivono il moto dei fotoni intrappolati nella cavità assomigliano alle equazioni del moto degli elettroni con spin. Perciò, è stato possibile costruire un sistema fotonico che imita perfettamente le proprietà elettroniche e porta a molti effetti fisici sorprendenti come gli stati topologici della luce.

La scoperta di nuovi fenomeni legati all'intrappolamento della luce in cavità otticamente anisotrope potrebbe consentire l'implementazione di nuovi dispositivi optoelettronici, per esempio. reti neurali ottiche ed eseguire calcoli neuromorfici. C'è una particolare promessa nella prospettiva di creare uno stato quantico unico della materia:il condensato di Bose Einstein. Tale condensato può essere utilizzato per calcoli e simulazioni quantistiche, risolvere problemi troppo difficili per i computer moderni. I fenomeni studiati apriranno nuove possibilità per soluzioni tecniche e ulteriori scoperte scientifiche.