Perché interagiscono eccitone-polaritoni bidimensionali? La quasiparticella eccitone-polaritone è in parte luce (fotone), e parte di materia (eccitone). La loro parte eccitonica (materia) conferisce loro la capacità di interagire con altre particelle, una proprietà che manca ai fotoni nudi.

In teoria, quando limitato a due sole dimensioni, Lento, gli eccitoni raffreddati dovrebbero cessare ogni interazione tra loro. Tuttavia, in pratica, questo comportamento non si osserva con eccitone-polaritoni. In un nuovo studio, I ricercatori della FLEET della Monash University hanno scoperto che la risposta si trova nelle caratteristiche "simili alla luce" di queste quasiparticelle. Questo ha potenziali applicazioni nell'uso di polaritoni in semiconduttori atomicamente sottili, come l'elettronica a bassissima energia.

Interazioni migliorate grazie al forte accoppiamento luce-materia

"Abbiamo cercato risposte a una domanda fondamentale sugli eccitoni-polaritoni non posta in precedenza, " spiega l'autore principale Dr. Olivier Bleu. "Se i polaritoni vivono in due dimensioni, perché la scomparsa delle loro interazioni a basse velocità non avviene negli esperimenti, come previsto dalla teoria dello scattering quantistico?"

Il team ha dimostrato che il forte accoppiamento tra eccitoni e fotoni, insieme all'enorme rapporto massa eccitone-fotone, modifica il comportamento di scattering previsto per gli eccitoni bidimensionali "nudi" e implica che le interazioni polaritoni rimangano finite.

"Più precisamente, abbiamo mostrato che il regime in cui le interazioni dovrebbero scomparire non è osservabile poiché richiederebbe un campione molto più grande dell'universo conosciuto, " spiega il co-autore Dr. Jesper Levinsen.

I risultati mostrano che i polaritoni interagiscono più degli eccitoni, che contrasta con l'assunzione comune su queste quasiparticelle chiave. "Questo lavoro getta nuova luce sulle interazioni tra quasiparticelle ibride di materia leggera, e ci permetterà di approfondire la nostra comprensione di questi sistemi, " dice l'autore corrispondente A/Prof Meera Parish.

Quasiparticelle che sono sia luce che materia

Eccitone-polaritoni si formano quando gli eccitoni (coppie elettrone-lacuna) sono fortemente accoppiati con la luce (fotoni) intrappolati in una cavità ottica. Questa "personalità divisa" conferisce all'eccitone-polaritone proprietà uniche, prendendo alcune delle caratteristiche della luce e alcune delle caratteristiche della materia.

La loro capacità di interagire è al centro di una serie di affascinanti fenomeni osservabili in esperimenti e ancora non del tutto compresi, compreso il polaritone di condensazione di Bose-Einstein, superfluidità ed effetti ottici quantistici.

"Interazioni polaritoni in microcavità con strati di semiconduttori atomicamente sottili" è stato pubblicato in Ricerca sulla revisione fisica nel novembre 2020.

Lo studio è stato condotto nel gruppo del Dr. Jesper Levinsen e A/Prof Meera Parish presso la Monash University, che indaga il comportamento di grandi gruppi di particelle quantistiche interagenti che esibiscono un comportamento esotico, come la superfluidità, in cui scorrono senza incontrare resistenza.

Questo lavoro espande le conoscenze fondamentali della fisica quantistica in sistemi che vanno dai gas atomici freddi ai semiconduttori allo stato solido, e ha il potenziale per sostenere una nuova generazione di resistenza quasi zero, dispositivi elettronici a bassissima energia.