Ricercatori presso gli Hybrid Photonics Laboratories di Skoltech e Southampton (Regno Unito), in collaborazione con Lancaster University (Regno Unito), hanno dimostrato un nuovo metodo ottico per sintetizzare strutture cristalline artificiali allo stato solido per polaritoni di cavità utilizzando solo la luce laser. I risultati potrebbero portare alla realizzazione di circuiti di polaritoni programmabili sul campo e nuove strategie per creare luce guidata e confinamento robusto di sorgenti luminose coerenti. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

La creazione di reticoli artificiali per le particelle quantistiche consente ai ricercatori di esplorare la fisica in un ambiente che potrebbe non essere trovato convenzionalmente in natura. I reticoli artificiali sono particolarmente attraenti poiché le loro simmetrie spesso portano a modelli esattamente risolvibili e a una comprensione trasparente delle loro proprietà. Progettandoli, però, è un compito impegnativo con flessibilità limitata. I materiali devono essere progettati in modo irreversibile per portare a termine il lavoro, e anche le tecniche del reticolo ottico per gli atomi freddi non possono produrre forme reticolari arbitrarie.

I ricercatori, Dr. Lucy Pickup (Southampton), Dr. Helgi Sigurdsson (Southampton e Skoltech), Prof Janne Ruostekoski (Lancaster), e il prof. Pavlos Lagoudakis (Skoltech e Southampton), ha superato questa sfida sviluppando un nuovo metodo per creare reticoli artificiali riprogrammabili e di forma arbitraria utilizzando solo luce laser strutturata. La riprogrammabilità significava che il sistema cavità-polaritone poteva essere cambiato da un reticolo all'altro senza la costosa necessità di progettare un nuovo sistema da zero.

Quando la luce laser colpisce un pozzo quantico di semiconduttore, eccita elettroni e lacune, così come gli stati legati dei due noti come eccitoni. Quando il pozzo quantico è posto tra due specchi, formando una trappola (o una cavità) per i fotoni, alcune delle particelle di eccitone si rivestono di fotoni, formando una penombra esotica, quasiparticelle di semimateria note come polaritoni eccitoni o polaritoni cavità.

Eccitone-polaritoni sono interattivi e rimbalzano frequentemente l'uno sull'altro. Però, rimbalzano anche sugli elettroni normali, buchi ed eccitoni sullo sfondo. I ricercatori hanno dimostrato che applicando la luce laser in modo strutturato geometricamente, gli eccitoni-polaritoni iniziarono a rimbalzare degli elettroni eccitati, buchi, ed eccitoni seguendo la forma del laser. In altre parole, gli eccitoni-polaritoni hanno iniziato a sperimentare un potenziale paesaggio sintetico impresso dal laser.

I potenziali paesaggi generati dal laser sono percepiti solo dagli eccitoni-polaritoni e non dai fotoni all'interno della cavità, distinguere il sistema dai cristalli fotonici. Creando un pattern laser con simmetria traslazionale, i ricercatori hanno prodotto la firma fondamentale dei sistemi a stato solido, la formazione di bande di energia cristallina per eccitone-polaritoni come quelle per gli elettroni nei materiali allo stato solido.

"I risultati aprono la strada allo studio della fisica quantistica dissipativa a molti corpi in un ambiente reticolare con proprietà che non possono essere riprodotte nei normali sistemi quantistici hermitiani, "Dott.ssa Lucy Pickup, coautore dell'articolo, dice.

Il Dr. Helgi Sigurdsson aggiunge:"Si tratta di uno sviluppo entusiasmante per il campo relativamente nuovo della fisica topologica non hermitiana".

Le bande prodotte potrebbero essere riconfigurate semplicemente regolando il pattern laser, permettendo un metodo non invasivo per accedere alla fisica quantistica nei reticoli artificiali. I risultati potrebbero essere utili in una varietà di applicazioni, comprese le comunicazioni ottiche, elaborazione delle informazioni, rivelatori ad alta sensibilità per scopi biomedici e laser topologicamente protetti. I risultati aprono anche un percorso per studiare la fisica fondamentale del reticolo a molti corpi in un ambiente quantistico aperto (non hermitiano).