n quasiparticelle note come polaritoni, gli stati della luce e della materia sono fortemente accoppiati. Il gruppo del Prof. Ataç İmamoğlu ha ora sviluppato un nuovo approccio per studiare le proprietà ottiche non lineari dei polaritoni in stati elettronici fortemente correlati. Così facendo, hanno aperto nuove prospettive per esplorare entrambi gli ingredienti del polaritone:nuove funzionalità per dispositivi fotonici e informazioni fondamentali sugli stati esotici della materia.

Il concetto di 'quasiparticelle' è un quadro di grande successo per la descrizione di fenomeni complessi che emergono in sistemi a molti corpi. Una specie di quasiparticelle che in particolare ha suscitato interesse negli ultimi anni sono i polaritoni nei materiali semiconduttori. Questi sono creati illuminando la luce su un semiconduttore, dove i fotoni eccitano le onde di polarizzazione elettronica, chiamati eccitoni. Il processo di creazione è seguito da un periodo durante il quale la dinamica del sistema può essere descritta come quella di un'entità particellare che non è né luce né materia, ma una sovrapposizione dei due. Solo una volta che queste quasiparticelle miste di materia leggera decadono, in genere sulla scala temporale dei picosecondi, i fotoni riacquistano la loro identità individuale. Scrivere sul diario Natura , Patrick Knüppel e colleghi del gruppo del professor Ataç Imamoglu del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo descrivono ora esperimenti in cui i fotoni rilasciati rivelano informazioni uniche sul semiconduttore che hanno appena lasciato; allo stesso tempo i fotoni sono stati modificati in modi che non sarebbero stati possibili senza interagire con il materiale semiconduttore.

Insegnare ai fotoni nuovi trucchi

Gran parte del recente interesse per i polaritoni deriva dalla prospettiva che aprano nuove intriganti capacità nella fotonica. Nello specifico, i polaritoni forniscono un mezzo per consentire ai fotoni di fare qualcosa che i fotoni non possono fare da soli:interagire tra loro. I raggi di luce normalmente passano l'uno attraverso l'altro. Al contrario, i fotoni che sono legati nei polaritoni possono interagire attraverso la parte materia di questi ultimi. Una volta che tale interazione può essere resa sufficientemente forte, le proprietà dei fotoni possono essere sfruttate in nuovi modi, ad esempio per l'elaborazione di informazioni quantistiche o in nuovi materiali quantistici ottici. Però, ottenere interazioni abbastanza forti per tali applicazioni non è un'impresa da poco.

Inizia con la creazione di polaritoni in primo luogo. Il materiale semiconduttore che ospita il sistema elettronico deve essere posto in una cavità ottica, per favorire un forte accoppiamento tra materia e luce. La creazione di tali strutture è qualcosa che il gruppo di Imamoglu ha perfezionato negli anni, in collaborazione con altri, in particolare con il gruppo del professor Werner Wegscheider, anche presso il Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo. Una sfida separata è quella di rendere l'interazione tra i polaritoni abbastanza forte da avere un effetto considerevole durante la breve vita delle quasiparticelle. Come ottenere un'interazione polaritone-polaritone così forte è attualmente un grosso problema aperto nel campo, ostacolare il progresso verso le applicazioni pratiche. E qui Knüppel et al. ora hanno dato un contributo sostanziale con il loro ultimo lavoro.

Segni distintivi di forte interazione

I fisici dell'ETH hanno trovato un modo inaspettato per migliorare l'interazione tra polaritoni, ovvero preparando opportunamente gli elettroni con cui i fotoni stanno per interagire. Nello specifico, hanno iniziato con gli elettroni che si trovavano inizialmente nel cosiddetto regime di Hall quantistico frazionario, dove gli elettroni sono confinati a due dimensioni ed esposti ad un alto campo magnetico, per formare stati altamente correlati interamente guidati da interazioni elettrone-elettrone. Per particolari valori del campo magnetico applicato, che determina il cosiddetto fattore di riempimento che caratterizza lo stato di Hall quantistico, hanno osservato che i fotoni riflessi e riflessi dal campione mostravano chiare firme dell'accoppiamento ottico con gli stati di Hall quantistico (vedi figura).

È importante sottolineare che la dipendenza del segnale ottico dal fattore di riempimento del sistema elettronico è apparsa anche nella parte non lineare del segnale, un forte indicatore che i polaritoni hanno interagito tra loro. Nel regime di Hall quantistico frazionario, le interazioni polaritone-polaritone erano fino a un fattore dieci più forti che negli esperimenti con gli elettroni al di fuori di quel regime. Questo miglioramento di un ordine di grandezza è un progresso significativo rispetto alle capacità attuali, e potrebbe essere sufficiente per consentire dimostrazioni chiave della "polaritonica" (come il forte blocco del polaritone). Questo non da ultimo come negli esperimenti di Knüppel et al. l'aumento delle interazioni non va a scapito della vita del polaritone, a differenza di molti tentativi precedenti.

Il potere, e sfide, di ottica non lineare

Al di là delle implicazioni per la manipolazione della luce, questi esperimenti portano anche la caratterizzazione ottica degli stati a molti corpi di sistemi elettronici bidimensionali a un nuovo livello. Stabiliscono come separare il contributo non lineare debole al segnale da quello lineare dominante. Ciò è stato reso possibile attraverso un nuovo tipo di esperimento che i ricercatori dell'ETH hanno sviluppato. Una delle principali sfide è stata quella di far fronte all'esigenza di dover illuminare il campione con una luce di potenza relativamente elevata, per modificare il debole segnale non lineare. Per garantire che i fotoni che incidono sul semiconduttore non causino modifiche indesiderate al sistema di elettroni, in particolare, ionizzazione delle cariche intrappolate:il team di Imamoglu-Wegscheider ha progettato una struttura del campione che ha una ridotta sensibilità alla luce, e hanno eseguito esperimenti con eccitazione pulsata piuttosto che continua, per ridurre al minimo l'esposizione alla luce.

Il set di strumenti ora sviluppato per misurare la risposta ottica non lineare degli stati di Hall quantistica dovrebbe consentire nuove informazioni oltre a ciò che è possibile con misurazioni ottiche lineari o negli esperimenti di trasporto tradizionalmente utilizzati. Questa è una buona notizia per coloro che studiano l'interazione tra eccitazioni fotoniche e sistemi elettronici bidimensionali, un campo in cui non mancano problemi scientifici aperti.