I ricercatori dell'ANU hanno recentemente dimostrato un nuovo metodo per generare stati di momento angolare orbitale (vortici), con una carica topologica che è assicurata da un punto eccezionale.

Recenti studi presso l'ANU risolvono un problema in sospeso nella fisica eccitone-polaritone, e aprire entusiasmanti direzioni di ricerca future nel campo.

Il lavoro dell'ex ricercatore postdottorato dell'ANU Tingge Gao e dei ricercatori della FLEET Guangyao Li, Eli Estrecho ed Elena Ostrovskaja, insieme ai collaboratori dell'ANU e a livello internazionale, ha portato all'osservazione della funzione d'onda eccitone-polaritone in un punto speciale nello spazio dei parametri noto come "punto eccezionale" (EP).

L'EP mostra una chiralità intrinseca o "mano" che i ricercatori hanno impiegato per generare in modo robusto vortici in un fluido quantistico eccitone-polaritone.

Punti di eccezione e particelle di materia leggera

Si verificano punti eccezionali quando le risonanze coincidono in un sistema con guadagno e perdita con conseguente fusione delle corrispondenti funzioni d'onda.

Come suggerisce il nome, un EP presenta un comportamento controintuitivo ed è al centro di una recente intensa ricerca nei sistemi classici come l'ottica, microonde, plasmonica, acustica, e optomeccanica.

A causa della topologia non banale dell'EP, la fusione delle funzioni d'onda si traduce in una ben definita 'handedness' (chiralità).

Però, questa chiralità non era stata precedentemente dimostrata in nessun sistema quantistico. Lo studio ANU è stata la prima dimostrazione di un tale stato chirale in un EP in un sistema quantistico macroscopico di eccitoni-polaritoni condensati.

Eccitone-polaritoni sono particelle ibride che sono in parte materia e in parte luce, legati insieme da un forte accoppiamento all'interno di microcavità a semiconduttore, dove possono formare un condensato di Bose-Einstein.

È importante sottolineare che l'esistenza di EP e la fase topologica associata negli eccitoni-polaritoni è stata dimostrata per la prima volta dal gruppo ANU nel 2015. Questo risultato ha aperto la strada a ulteriori studi sulla fisica quantistica "non hermitiana" degli eccitoni-polaritoni, che potrebbe scoprire nuovi principi di funzionamento per dispositivi basati su polaritoni.

Nel laboratorio polariton-BEC dell'ANU, i ricercatori hanno generato flussi di vortice con manualità fissa (chiralità) nei fluidi quantistici eccitone-polaritone regolando attentamente la forma del risonatore indotto dalla luce.

Il lavoro precedente dello stesso gruppo ha già mostrato la generazione di vortici, utilizzando la forma chirale del potenziale paesaggio.

In questo nuovo lavoro, la chiralità deriva dalla topologia dell'EP piuttosto che dal potenziale indotto dalla luce.

Ciò è stato ottenuto guidando l'una verso l'altra due risonanze corrispondenti a modalità dipolo non chirale (bilobato). Vicino a un EP, l'interferenza di questi modi ha provocato uno stato chirale, che è un flusso di vortice.

Il lavoro dimostra un nuovo metodo per generare stati di momento angolare orbitale con una carica topologica protetta dalla topologia non banale dell'EP.

La ricerca è stata condotta dall'ex ricercatore postdottorato dell'ANU Tingge Gao.

La chiralità di un modo ad un EP è una proprietà fondamentale dei sistemi con guadagno e perdita (noti come sistemi non hermitiani) ed è stata precedentemente dimostrata nelle onde classiche (in particolare nei sistemi a microonde e ottici). Il lavoro dell'ANU segna la prima osservazione di questo tipo in un sistema quantistico.

Il lavoro apre un'entusiasmante direzione di ricerca futura nella fisica eccitone-polaritone:lo sfruttamento delle proprietà non banali degli EP all'interno di un sistema quantistico potrebbe portare a progressi ancora più interessanti come il rilevamento avanzato e la commutazione topologica, che finora sono stati dimostrati solo nei sistemi classici.

Per di più, il lavoro incoraggia i futuri studi sperimentali della fisica non hermitiana, compreso il raggruppamento di EP e la creazione di EP di ordine superiore in un sistema quantistico macroscopico.

Lo studio Modalità chirali in punti eccezionali nei fluidi quantistici eccitone-polaritone è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica nel febbraio 2018.