La comprensione della fisica quantistica ha comportato la creazione di un'ampia gamma di quasiparticelle. Questi costrutti nozionali descrivono fenomeni emergenti che sembrano avere le proprietà di più altre particelle mescolate insieme.

un eccitone, Per esempio, è una quasiparticella che si comporta come un elettrone legato a una lacuna elettronica, o lo spazio vuoto in un materiale semiconduttore dove potrebbe trovarsi un elettrone. Un passo in più, un eccitone-polaritone combina le proprietà di un eccitone con quelle di un fotone, facendolo comportare come una combinazione di materia e luce. Raggiungere e controllare attivamente la giusta miscela di queste proprietà, come la loro massa, velocità, direzione del movimento e capacità di interagire fortemente tra loro:è la chiave per applicare i fenomeni quantistici alla tecnologia, come i computer.

Ora, i ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania sono i primi a creare una forma ancora più esotica dell'eccitone-polaritone, uno che ha uno spin quantistico definito che è bloccato nella sua direzione di movimento. A seconda della direzione della loro rotazione, questi eccitoni-polaritoni topologici elicoidali si muovono in direzioni opposte lungo la superficie di un tipo ugualmente specializzato di isolante topologico.

In uno studio pubblicato sulla rivista Scienza , hanno dimostrato questo fenomeno a temperature molto più calde dello zero quasi assoluto normalmente richiesto per mantenere questo tipo di fenomeno quantistico. La capacità di indirizzare queste quasiparticelle in base alla loro rotazione in condizioni più user-friendly, e un ambiente in cui non si disperdono all'indietro, apre la possibilità di usarli per trasmettere informazioni o eseguire calcoli a velocità senza precedenti.

Lo studio è stato condotto da Ritesh Agarwal, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e Wenjing Liu, un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio. Hanno collaborato con ricercatori della Hunan University e della George Washington University.

Lo studio dimostra anche un nuovo tipo di isolante topologico, una classe di materiale sviluppata a Penn da Charles Kane ed Eugene Mele che ha una superficie conduttiva e un nucleo isolante. Gli isolanti topologici sono apprezzati per la loro capacità di propagare gli elettroni sulla loro superficie senza disperderli, e la stessa idea può essere estesa a quasiparticelle come fotoni o polaritoni.

"Sostituire gli elettroni con i fotoni renderebbe i computer e altre tecnologie ancora più veloci, ma i fotoni sono molto difficili da modulare, percorso o cambio. Non possono essere trasportati su curve strette e fuoriescono dalla guida d'onda, " dice Agarwal. "Qui è dove gli eccitoni-polaritoni topologici possono essere utili, ma ciò significa che dobbiamo creare nuovi tipi di isolanti topologici che possano funzionare con i polaritoni. Se potessimo creare questo tipo di materiale quantistico, potremmo instradare gli eccitoni-polaritoni lungo determinati canali senza alcuna dispersione, così come modularli o commutarli tramite campi elettrici applicati esternamente o da lievi variazioni di temperatura."

Il gruppo di Agarwal ha creato in passato diversi tipi di isolanti topologici fotonici. Mentre il primo isolante topologico polaritone "chirale" è stato segnalato da un gruppo in Europa, ha funzionato a temperature estremamente basse pur richiedendo forti campi magnetici Il pezzo mancante, e distinzione tra "chirale" ed "elicoidale" in questo caso, era la capacità di controllare la direzione del flusso attraverso lo spin delle quasiparticelle.

"Per creare questa fase, abbiamo usato un semiconduttore atomicamente sottile, disolfuro di tungsteno, che forma eccitoni molto strettamente legati, e lo ha accoppiato fortemente a un cristallo fotonico adeguatamente progettato tramite l'ingegneria della simmetria. Questo ha indotto una topologia non banale ai polaritoni risultanti, " dice Agarwal. "All'interfaccia tra cristalli fotonici con diversa topologia, abbiamo dimostrato la generazione di polaritoni topologici elicoidali che non si disperdono in corrispondenza di angoli acuti o difetti, così come il trasporto dipendente dallo spin."

Agarwal e i suoi colleghi hanno condotto lo studio a 200K, o circa -100F senza la necessità di applicare alcun campo magnetico. Mentre sembra freddo, è notevolmente più caldo e più facile da raggiungere rispetto a sistemi simili che funzionano a 4K, o circa -450F.

Sono fiduciosi che ulteriori ricerche e tecniche di fabbricazione migliorate per il loro materiale semiconduttore consentiranno facilmente al loro design di funzionare a temperatura ambiente.

"Dal punto di vista accademico, 200K è già quasi a temperatura ambiente, così piccoli progressi nella purezza del materiale potrebbero facilmente spingerlo a lavorare in condizioni ambientali, " dice Agarwal. "Atomicamente sottile, I materiali "2D" formano eccitoni molto forti che sopravvivono alla temperatura ambiente e oltre, quindi pensiamo di aver bisogno solo di piccole modifiche al modo in cui i nostri materiali sono assemblati."

Il gruppo di Agarwal sta ora lavorando allo studio di come i polaritoni topologici interagiscono tra loro, che li avvicinerebbe di un passo all'uso in pratici dispositivi fotonici.