I polaritoni sono quasiparticelle che si formano quando i fotoni si accoppiano fortemente con le eccitazioni della materia. Queste quasi-particelle, che sono metà luce e metà materia, sono alla base del funzionamento di un'ampia gamma di sistemi quantistici fotonici emergenti, inclusi dispositivi nanofotonici basati su semiconduttori e sistemi elettrodinamici quantistici di circuito.

I ricercatori della Stony Brook University hanno recentemente introdotto un nuovo sistema di polaritoni in cui l'eccitazione della materia è sostituita da un atomo in un reticolo ottico e il fotone da un'onda di materia atomica. Questo sistema, introdotto in un articolo pubblicato su Nature Physics , si traduce in polaritoni onda materia e potrebbe aprire interessanti possibilità per lo studio della materia quantistica polaritonica.

"Alcuni anni fa, ci siamo interessati all'idea di utilizzare atomi ultrafreddi per simulare il comportamento dinamico degli emettitori quantistici", ha detto a Phys.org il dottor Dominik Schneble, capo del team di ricercatori che ha condotto lo studio. "Si scopre che è possibile costruire un atomo artificiale che emetta spontaneamente onde di materia, più o meno allo stesso modo in cui un atomo emette spontaneamente un fotone (come descritto dal cosiddetto modello Weisskopf-Wigner)."

Schneble e i suoi colleghi hanno dimostrato che l'utilizzo di un tale atomo artificiale invece di un "atomo reale" per studiare il comportamento dinamico degli emettitori quantistici presenta alcuni vantaggi. In particolare, il sistema artificiale ha permesso ai ricercatori di regolare liberamente parametri importanti, come l'energia di eccitazione dell'emettitore e il suo accoppiamento al vuoto.

L'emettitore artificiale che inizialmente crearono consisteva in una trappola microscopica (cioè un pozzo del reticolo ottico), che era riempita con un singolo atomo. Il team ha implementato un meccanismo che ha permesso al singolo atomo di capovolgere la sua rotazione ed essere rilasciato spontaneamente in una guida d'onda di materia, in cui erano incorporate le trappole stesse.

"In modo fondamentale e in contrasto con gli emettitori quantistici convenzionali, questo era l'unico meccanismo di decadimento consentito e la radiazione non poteva sfuggire altrove", ha spiegato Schneble. "In un giornale uscito su Natura nel 2018 abbiamo osservato che il decadimento in queste condizioni può avere caratteristiche piuttosto esotiche. In particolare, quando impostiamo l'energia di eccitazione come negativa (può suonare strano, ma può anche valere per "emettitori reali" in un materiale a bandgap fotonico), la radiazione dell'onda di materia emessa, avendo energia negativa, non potrebbe sfuggire e invece aleggiava attorno all'emettitore come una nuvola coerente di eccitazioni del vuoto."

Nel loro nuovo studio, Schneble e i suoi colleghi hanno sfruttato il fatto che gli emettitori che avevano implementato (cioè i pozzi) facevano effettivamente parte di un reticolo periodico che può contenere anche molti atomi. Di conseguenza, gli effetti di trasporto e interazione all'interno del reticolo possono diventare importanti.

"Se per un momento trascuriamo le caratteristiche di emissione ma guardiamo solo il reticolo, questi atomi possono da soli tunnel, o saltare, da un sito all'altro", ha detto Schneble. "Il fatto che ciò avvenga o meno dipende dalla forza del salto rispetto al costo energetico dovuto alla repulsione tra due o più atomi sullo stesso sito reticolare (questo è noto come modello di Bose-Hubbard)."

L'obiettivo principale dello studio dei ricercatori era determinare cosa succede quando hanno attivato le caratteristiche di emissione sul loro sistema reticolare ottico, specialmente a un'energia negativa dove la radiazione non può fuoriuscire. È interessante notare che hanno trovato prove che le onde di materia in bilico tendevano a penetrare nei pozzi vicini.

In un pozzo vicino, un processo di decadimento inverso (cioè assorbimento) può convertire l'onda di materia in bilico in un atomo intrappolato. Attraverso questo processo, il pozzo originario si svuota simultaneamente.

"Ciò significa effettivamente che l'atomo intrappolato, vestito nella nuvola di onde di materia, ha un meccanismo aggiuntivo per saltare tra i siti del reticolo", ha detto Schneble. "D'altra parte, le onde di materia nella guida d'onda non possono mai viaggiare liberamente da sole e, essendo incatenate agli atomi nel reticolo, tutto ciò che possono fare è saltare."

Di conseguenza, in questo sistema le onde della materia diventano meno mobili, o "più pesanti", mentre l'atomo diventa più mobile, o "più leggero". Le onde di materia e gli atomi nel reticolo formano quasiparticelle composite che portano aspetti di entrambi i suoi costituenti, soprannominate "polaritoni di onde di materia".

"Ciò che rende interessante questo sistema è che gli atomi nel reticolo (che si potrebbero chiamare 'eccitazioni del reticolo vuoto') si respingono nei siti", ha spiegato Schneble. "Ora, se le onde della materia sono legate a quegli atomi, allora c'è anche un'efficace repulsione tra le onde della materia. Traducendo questo di nuovo in un sistema di polaritoni convenzionale in cui si sostituiscono le nostre onde di materia con fotoni e gli atomi saltellanti nel reticolo con eccitone polaritoni (o altre eccitazioni di materia), ora hai a tua disposizione un'efficace repulsione tra i fotoni."

Da soli, è noto che i fotoni non interagiscono tra loro. La forte interazione del polaritone svelata dai ricercatori è quindi molto interessante se estrapolata a un sistema convenzionale.

"La caratteristica unica della nostra piattaforma è che i polaritoni delle onde di materia sono privi di perdite, in contrasto con i sistemi di polaritoni basati su fotoni, la cui durata è limitata dal decadimento radiativo spontaneo nell'ambiente", ha affermato Schneble.

Analogamente ai loro studi precedenti incentrati sul decadimento spontaneo, il recente lavoro sui polaritoni di questo team di ricercatori apre nuove possibilità per l'accesso a regimi di parametri che finora sono stati inaccessibili utilizzando i sistemi convenzionali basati sui fotoni. In futuro, potrebbe quindi consentire esplorazioni approfondite della fisica dei polaritoni in nuovi regimi.

"La nostra ricerca consente studi sui sistemi polaritonici con l'elevata flessibilità e il controllo di una simulazione quantistica analogica", ha aggiunto Schneble. "A causa dell'assenza di perdite radiative incontrollate, è generalmente piuttosto interessante esplorare sistemi radiativi fortemente accoppiati con onde di materia, e le caratteristiche del polaritone giocheranno un ruolo importante in tali studi. Naturalmente, le stesse piattaforme polaritoniche hanno un'elevata rilevanza per le applicazioni in QIST , e il nostro lavoro dovrebbe essere interessante anche in questo contesto". + Esplora ulteriormente

La scoperta dei polaritoni delle onde della materia getta nuova luce sulle tecnologie quantistiche fotoniche

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