Un team di ricerca internazionale ha prodotto un analogo di un reticolo cristallino a corpo solido da polaritoni, quasiparticelle ibride fotone-elettrone. Nel reticolo di polaritoni risultante, l'energia di certe particelle non dipende dalla loro velocità. Allo stesso tempo, la geometria del reticolo, la concentrazione delle particelle e le proprietà di polarizzazione possono ancora essere modificate. Questo apre nuove prospettive per lo studio degli effetti quantistici e l'uso del calcolo ottico. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Un corpo solido si forma attorno a un reticolo cristallino formato da nuclei atomici. La geometria del reticolo può influenzare la relazione tra l'energia e la velocità di una particella. I reticoli sono divisi in diversi tipi in base alle loro proprietà geometriche. Alcuni di quelli, come il reticolo di Lieb, hanno le cosiddette bande piatte:uno stato in cui le particelle non mostrano alcuna relazione energia-velocità. Dal punto di vista formale, le particelle in bande piatte hanno massa efficace infinita.

Le bande piatte sono di grande interesse per la scienza fondamentale. Sono usati per studiare i superconduttori, ferromagneti e altre fasi quantistiche negli elettroni. Però, le fasi quantistiche possono essere osservate anche nelle particelle elementari leggere, i fotoni. Ciò richiede la creazione di un cosiddetto cristallo fotonico con geometria regolabile, un analogo fotonico artificiale di un corpo solido. Tali condizioni consentono agli scienziati di osservare e gestire le varie proprietà quantistiche delle particelle molto più facilmente.

I fisici dell'Università ITMO e dell'Università di Sheffield hanno creato un analogo fotonico di un reticolo di Lieb e hanno confermato che gli effetti quantistici in una struttura fotonica sono davvero più forti. "In senso stretto, si trattava di polaritoni piuttosto che di fotoni, " spiega Dmitry Kryzhanovsky, ricercatore senior presso ITMO University e professore presso l'Università di Sheffield. "Questa condizione ibrida si verifica quando gli elettroni eccitati si mescolano con i fotoni. Tali particelle ibride interagiscono tra loro, proprio come fanno gli elettroni in un corpo solido. Abbiamo usato i polaritoni per creare un reticolo cristallino e abbiamo studiato le loro nuove proprietà. Ora sappiamo come si condensano i polaritoni in bande piatte, come la loro interazione rompe la simmetria della radiazione e come cambiano le loro proprietà di spin o polarizzazione".

Poiché i polaritoni mantengono la loro rotazione di spin continuamente, gli scienziati sono ora in grado di osservare la polarizzazione per molto tempo. Per di più, il facile controllo sulla concentrazione di polaritoni nel reticolo fornisce più opzioni per una gestione precisa del sistema.

"Da un punto di vista fondamentale, i cristalli di polaritone sono interessanti in quanto forniscono una grande varietà di fasi quantistiche ed effetti che non possiamo studiare nei cristalli standard, "dice Ivan Shelykh, capo del Laboratorio Internazionale di Fotoprocessi in Sistemi Mesoscopici presso l'Università ITMO. "La polarizzazione può fungere da elemento di memorizzazione delle informazioni. Tutti i calcoli sono basati su un sistema binario. Devono essere 0 e 1, quindi per implementare il calcolo ottico abbiamo bisogno di due stati corrispondenti. Polarizzazione, destra e sinistra, con una serie di combinazioni intermedie, è un candidato ideale per l'elaborazione delle informazioni a livello quantistico."

Un grande contributo alla creazione e allo studio dei reticoli cristallini polaritoni è stato dato dal personale dell'Università di Sheffield. Il professor Maurice Skolnick di Sheffield dirige un progetto megagrant sugli stati ibridi di luce insieme a Ivan Shelykh. "Tutti gli esperimenti sono stati condotti a Sheffield, mentre la modellazione teorica e l'analisi dei risultati sono state fatte presso l'Università ITMO, " dice Shelykh. "Considero questo lavoro un buon esempio di come dovrebbe essere la scienza. I risultati di un esperimento sono incomprensibili se pubblicati senza alcuna interpretazione. Allo stesso modo, la teoria grezza che utilizza parametri non realistici è difficile da applicare nella pratica. Ma qui abbiamo combinato la teoria con l'esperimento e abbiamo intenzione di continuare a farlo in questo modo. Il nostro prossimo obiettivo è ottenere e studiare le condizioni topologiche al contorno di un tale reticolo".