Un gruppo di scienziati Skoltech, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Southampton (UK), ha sviluppato un approccio completamente ottico per controllare gli accoppiamenti tra i condensati di polaritoni nei reticoli ottici. Questo studio è un passo importante verso l'applicazione pratica dei reticoli di condensato di polaritoni ottici come piattaforma per la simulazione di fasi di materia condensata. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica , dove la carta era presente in copertina.

Nei suoi tre anni di esistenza, il Laboratorio di Fotonica Ibrida dello Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials e il suo team di giovani ricercatori, lavorando sotto la guida del professor Pavlos Lagoudakis, ha spinto lo stato dell'arte nel campo della polaritonics degli eccitoni. La loro recente dimostrazione di condensati di polaritoni accoppiati in modo coerente è stata in particolare proposta come una nuova piattaforma di simulazione [1, 2]. Questa tecnologia utilizza un elaborato modello di eccitazione laser per generare grafici di polaritoni ad alta complessità in modo altamente scalabile, con fino a mille condensate attualmente realizzabili. Indipendentemente dalla piattaforma tecnologica utilizzata, e se i suoi nodi sono condensati di polaritoni, atomi intrappolati a freddo o qubit superconduttori, la capacità di sintonizzare gli accoppiamenti tra i nodi vicini più vicini e quelli più vicini è un passaggio essenziale per simulare le fasi della materia condensata. Poiché l'accoppiamento tra i condensati di polaritone era predefinito dalla geometria di eccitazione del laser e dal vettore d'onda del polaritone, il controllo dell'accoppiamento tra i nodi di una geometria reticolare fissa rimaneva elusivo.

Per affrontare questa sfida tecnologica, i ricercatori hanno suggerito di utilizzare un altro modello laser più debole per formare serbatoi di eccitoni incoerenti che agirebbero come potenziali barriere stampate otticamente. In un esperimento, hanno dimostrato che l'introduzione di una tale barriera di altezza variabile tra i nodi modifica la fase del segnale di condensa trasmesso in modo preciso e controllato, cambiando infine il segno dell'accoppiamento complesso. In questo lavoro, I ricercatori di Skoltech hanno dimostrato ferromagnetico, fasi antiferromagnetiche e ferromagnetiche accoppiate in cluster di polaritoni fino a condensati 4×4.

Ricercatore Skoltech e primo autore, Il dottor Sergey Alyatkin, osserva:"Questi risultati sono stati raggiunti grazie al lavoro duro e coordinato del nostro team, che ci ha permesso di creare prima una configurazione sperimentale unica e di utilizzarla per ottenere questi risultati entusiasmanti. Insieme ai nostri colleghi di Southampton, abbiamo sviluppato un modo per controllare in modo molto preciso il profilo spaziale di eccitazione, che ci permette di imprimere reticoli ottici di condensati di polaritoni in quasi tutte le geometrie arbitrarie. Abbiamo anche implementato una tecnica di interferometria omodina per la lettura in situ delle relative fasi dei nodi reticolari, che ci permette di proiettare uno spin classico (da +1 a -1) per ogni nodo corrispondente."

Alexis Askitopoulos, ricercatore senior degli Hybrid Photonics Labs e coautore, aggiunge:"I nostri risultati mostrano che possiamo sintonizzare le interazioni del vicino più prossimo e del prossimo più prossimo nel nostro reticolo polaritone. In effetti questo ci dà il controllo di alcuni degli elementi non diagonali dell'Hamiltoniana del nostro sistema, aumentando notevolmente il numero di configurazioni che possono essere simulate con la nostra piattaforma, oltre ad aprire possibilità per l'implementazione di processi e algoritmi di apprendimento automatico."

Frutto di un continuo andirivieni di persone, campioni e idee tra Skoltech e la Southampton University, questo articolo di grande impatto serve anche a ricordare l'importanza delle collaborazioni internazionali nel mondo accademico. In questi giorni di autoisolamento, i gruppi russo e britannico rimangono in stretto contatto attraverso un seminario online settimanale, dove discutono i progressi attuali e propongono nuovi modi per spingere ulteriormente la loro ricerca.

Gli autori sono fiduciosi che i risultati della loro ricerca saranno di grande interesse non solo per gli specialisti che lavorano nel campo della polaritonics, ma anche alla più ampia comunità globale della fotonica e dell'informatica ottica. L'estrema precisione del controllo sulla fase relativa tra i nodi, insieme alla facilità, scalabilità e sintonizzabilità della sua implementazione completamente ottica, si ritiene che renda questo sviluppo un passo fondamentale nello sviluppo di simulatori di polaritoni ad alte prestazioni, che un giorno potrebbe sbloccare tutta la potenza del calcolo ottico.