I ricercatori di Skoltech e dell'Università di Cambridge hanno dimostrato che i polaritoni, le bizzarre particelle che potrebbero finire per far funzionare i supercomputer quantistici del futuro, possono formare strutture che si comportano come molecole e queste "molecole artificiali" possono essere potenzialmente ingegnerizzate su richiesta. Il documento che delinea questi risultati è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica B .

I polaritoni sono particelle quantistiche costituite da un fotone e un eccitone, un'altra quasiparticella, sposare luce e materia in una curiosa unione che apre una moltitudine di possibilità nei dispositivi polaritonici di nuova generazione. Alexander Johnston, Kirill Kalinin e Natalia Berloff, professore allo Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials e all'Università di Cambridge, hanno dimostrato che i condensati di polaritoni accoppiati geometricamente, che compaiono nei dispositivi a semiconduttore, sono in grado di simulare molecole con varie proprietà.

Le molecole ordinarie sono gruppi di atomi legati insieme da legami molecolari, e le loro proprietà fisiche differiscono da quelle dei loro atomi costituenti abbastanza drasticamente:si consideri la molecola dell'acqua, H2O, e l'idrogeno elementare e l'ossigeno. "Nel nostro lavoro, mostriamo che gruppi di condensati polaritonici e fotonici interagenti possono formare una gamma di entità esotiche e completamente distinte - "molecole" - che possono essere manipolate artificialmente. Queste "molecole artificiali" possiedono nuovi stati energetici, proprietà ottiche, e modi vibrazionali da quelli dei condensati che li compongono, "Johnston, del Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica dell'Università di Cambridge, spiega.

Quando i ricercatori stavano eseguendo simulazioni numeriche di due, tre, e quattro condensati di polaritoni interagenti, hanno notato alcuni curiosi stati stazionari asimmetrici in cui non tutti i condensati hanno la stessa densità nel loro stato fondamentale. "A seguito di ulteriori indagini, abbiamo scoperto che tali stati si presentavano in un'ampia varietà di forme diverse, che potrebbe essere controllato manipolando alcuni parametri fisici del sistema. Questo ci ha portato a proporre fenomeni come "molecole polaritoni artificiali" e ad indagare i loro potenziali usi nei sistemi di informazione quantistica, " dice Johnston.

In particolare, il team si è concentrato su una "diade asimmetrica, " che consiste di due condensati interagenti con occupazioni disuguali. Quando due di quelle diadi sono combinate in una struttura a tetradi, quest'ultimo è, in un certo senso, analogo a una molecola omonucleare, per esempio, all'idrogeno molecolare H2. Per di più, le molecole di polaritone artificiale possono anche formare strutture più elaborate, che potrebbero essere pensati come "composti polaritoni artificiali".

"Non c'è nulla che impedisca di creare strutture più complesse. Infatti, nel nostro lavoro abbiamo scoperto che c'è una vasta gamma di esotici, stati asimmetrici possibili in configurazioni tetrad. In alcuni di questi, tutti i condensati hanno densità diverse (nonostante tutti i giunti siano di uguale resistenza), invitando ad un'analogia con i composti chimici, "Note di Alexander Johnston.

In specifiche strutture di tetradi, ogni diade asimmetrica può essere vista come un singolo "spin, " definito dall'orientamento dell'asimmetria di densità. Ciò ha interessanti conseguenze per i gradi di libertà del sistema (i parametri fisici indipendenti necessari per definire gli stati); gli "spin" introducono un grado di libertà discreto, oltre ai gradi di libertà continui dati dalle fasi condensate.

L'orientamento relativo di ciascuna delle diadi può essere controllato variando la forza di accoppiamento tra di loro. Poiché i sistemi di informazione quantistica possono potenzialmente avere una maggiore precisione ed efficienza se utilizzano un qualche tipo di sistema ibrido discreto-continuo, il team ha quindi proposto questa struttura tetradica ibrida come potenziale base per un tale sistema.

"Inoltre, abbiamo scoperto una pletora di stati asimmetrici esotici nei sistemi triade e tetrade. È possibile passare senza soluzione di continuità tra tali stati semplicemente variando la forza di pompaggio utilizzata per formare i condensati. Questa proprietà suggerisce che tali stati potrebbero costituire la base di un sistema logico polaritonic multivalore, che potrebbe consentire lo sviluppo di dispositivi polaritonici che dissipano una potenza significativamente inferiore rispetto ai metodi tradizionali e, potenzialmente, operare ordini di grandezza più velocemente, "dice il professor Berloff.