Ricercatori di Skoltech e dell'Università di Southampton, UK., hanno utilizzato metodi completamente ottici per creare un reticolo artificiale i cui nodi ospitano polaritoni, quasiparticelle che sono eccitazioni per metà luce e per metà materia nei semiconduttori. Questo cosiddetto reticolo di Lieb, che di solito non si verifica in natura, ha permesso al team di dimostrare risultati rivoluzionari importanti per la fisica della materia condensata. Dal punto di vista delle applicazioni, il reticolo di polaritoni generato dal laser, segnalato in Comunicazioni sulla natura , può essere utilizzato per la progettazione di dispositivi di nuova generazione come computer ottici che dipendono dalla gestione della dispersione e dalla luce guidata.

Nel regime di accoppiamento forte materia leggera, le eccitazioni elettroniche in un semiconduttore posto tra due specchi che formano una microcavità vengono fortemente influenzate dai fotoni intrappolati all'interno. Questo dà origine a nuovi modi quantistici chiamati eccitoni-polaritoni, o solo polaritoni in breve. Consentono lo studio di fenomeni ibridi materia-onda e fotonici su microscala. Nelle giuste condizioni, i polaritoni possono formare stati coerenti della materia a molti corpi simili ai condensati di Bose-Einstein, fornendo accesso a dinamiche dissipative non lineari esotiche.

I ricercatori hanno deciso di esplorare come si comportano questi condensati in reticoli ottici artificiali che di solito non si trovano in natura. Per questo hanno usato un modulatore di luce spaziale programmabile per modellare un raggio laser in un reticolo all'interno della cavità, non diversamente dai puntatori laser per proiettare motivi fantasiosi su superfici distanti. I polaritoni generati sono entrambi aumentati di numero e sono diventati più energetici dove il campo laser era più intenso. Con una potenza laser sufficientemente elevata, i polaritoni hanno iniziato a formare condensati che risiedevano sui massimi potenziali del reticolo. In questo cosiddetto regime balistico, onde polaritoni ad alta energia che fuoriescono dai condensati disperse e diffratte attraverso il reticolo.

I ricercatori hanno osservato che quando la costante reticolare è diminuita, i condensati hanno subito una transizione di fase dal regime balistico al caso opposto di condensati profondamente intrappolati che ora risiedono nei potenziali minimi del reticolo. A costanti reticolari intermedie, il sistema sembrava incapace di "decidere" se le onde polaritoni dovessero essere delocalizzate o localizzate, e invece i condensati si sono fratturati su più energie. Una tale transizione non era mai stata osservata in precedenza nei reticoli di polaritoni.

I ricercatori hanno quindi dimostrato di poter produrre una delle caratteristiche più esotiche nella fisica dello stato solido:bande di cristalli completamente prive di dispersione, noto anche come flatbands, in cui la massa delle particelle diventa effettivamente infinita. Per questo hanno progettato un reticolo ottico Lieb, non si trova convenzionalmente in natura, che è noto per possedere bande piatte.

Lo studio riportato in questa storia è stato co-autore di giovani ricercatori dell'Hybrid Photonics Lab guidati dal professor Pavlos Lagoudakis, che ha fornito il seguente commento sui risultati del team:"Il nostro laboratorio ha sviluppato una grande esperienza nei reticoli ottici dei condensati di polaritoni, e con questo lavoro abbiamo fatto un ulteriore passo avanti. Questi risultati saranno di grande interesse per un'ampia comunità scientifica che abbraccia l'ottica non lineare, fisica della materia condensata, atomi freddi, fisica della materia leggera, e polaritonic. Questa è la prima dimostrazione di fasi non banali dell'ingegneria della materia e della banda piatta in reticoli di polaritoni generati otticamente. In precedenza, stati flatband in sistemi polaritoni erano stati mostrati solo in strutture scritte litograficamente."

Il primo autore del saggio, fisico sperimentale Dr. Sergey Alyatkin di Skoltech, e il suo collega, fisico teorico Dr. Helgi Sigurdsson dell'Università di Southampton, aggiunto, "Il nostro lavoro è una bella dimostrazione dei progressi nel controllo ottico e della ricchezza nel campo della polaritonics. Più studiamo i polaritoni delle microcavità nei reticoli, gli effetti più interessanti che osserviamo. I nostri ultimi risultati hanno aperto una strada verso la fisica inesplorata di miscele reticolari non stazionarie di quasiparticelle di onde di materia, e non ci stiamo limitando a un tipo specifico di reticolo indagato."