Tutto ciò che sperimentiamo è fatto di luce e materia. E l'interazione tra i due può portare a effetti affascinanti. Per esempio, può provocare la formazione di quasiparticelle speciali, chiamati polaritoni, che sono una combinazione di luce e materia. Un team del Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi, all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS), modellato il comportamento dei polaritoni nelle microcavità, nanostrutture costituite da un materiale semiconduttore racchiuso tra speciali specchi (specchi di Bragg). Pubblicato in Rapporti scientifici , questa ricerca porta nuove idee nel campo emergente della Valleytronics.

Emergendo dall'accoppiamento di luce (fotoni) e materia (stato legato di elettroni e lacune noti come eccitoni), i polaritoni hanno le caratteristiche di ciascuno. Si formano quando un raggio luminoso di una certa frequenza rimbalza avanti e indietro all'interno di microcavità, causando la rapida interconversione tra luce e materia e risultando in polaritoni con una vita breve. "Puoi immaginare queste quasiparticelle come onde che fai nell'acqua, si muovono insieme armoniosamente, ma durano poco. La breve durata dei polaritoni in questo sistema è dovuta alle proprietà dei fotoni, " spiega il signor Meng Sun, primo autore dello studio.

I ricercatori stanno studiando i polaritoni nelle microcavità per capire come le loro caratteristiche potrebbero essere sfruttate per superare le attuali tecnologie dei semiconduttori. L'optoelettronica moderna legge, processi, e memorizzare le informazioni controllando il flusso di particelle, ma cercando nuove alternative più efficienti, altri parametri, come si potrebbero considerare le cosiddette 'valli'. Le valli possono essere visualizzate riportando l'energia dei polaritoni al loro momento. Valleytronics mira a controllare le proprietà delle valli in alcuni materiali, come i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC), arseniuro di indio gallio alluminio (InGaAlAs), e grafene.

Essere in grado di manipolare le loro caratteristiche porterebbe a valli sintonizzabili con due stati chiaramente diversi, corrispondente ad esempio a 1 bit e 0 bit, come gli stati on-off nell'informatica e nelle comunicazioni digitali. Un modo per distinguere valli con lo stesso livello di energia è ottenere valli con polarizzazione diversa, in modo che gli elettroni (o polaritoni) occupino preferenzialmente una valle rispetto alle altre. Gli scienziati dell'IBS hanno generato un modello teorico per la polarizzazione della valle che potrebbe essere utile per la Valleytronics.

Sebbene i polaritoni siano formati dall'accoppiamento di fotoni ed eccitoni, il team di ricerca ha modellato i due componenti in modo indipendente. "Modellare i potenziali profili di fotoni ed eccitoni separatamente è la chiave per trovare dove si sovrappongono, e quindi determinare le posizioni di energia minima in cui si verificano le valli, " precisa Sole.

Una caratteristica cruciale di questo sistema è che i polaritoni possono ereditare alcune proprietà, come la polarizzazione. Valli con polarizzazione diversa si formano spontaneamente quando si considera la scissione dei modi elettronici e magnetici trasversali (cioè perpendicolari) del fascio di luce (sdoppiamento TE-TM).

Poiché questo modello teorico prevede che le valli con polarizzazione opposta possano essere distinte e sintonizzate, in linea di principio, diverse valli potrebbero essere selettivamente eccitate da una luce laser polarizzata, portando a una possibile applicazione in valleytronics.