Per lo studio attuale, pubblicato su Nature Photonics , gli scienziati hanno utilizzato l'interferenza tra due laser per creare un paesaggio energetico potenziale dinamico (immagina un paesaggio di valli e colline, in costante movimento ripetuto) per uno stato di polaritoni coerente, simile al laser, noto come condensato di polaritoni.

Hanno raggiunto questo obiettivo introducendo un nuovo strumento ottico, un nastro trasportatore ottico, per consentire il controllo del panorama energetico, concretamente, delle profondità del reticolo e delle interazioni tra particelle vicine.

Regolando ulteriormente la differenza di frequenza tra i due laser, il nastro trasportatore si muove a velocità dell'ordine dello 0,1% della velocità della luce, guidando i polaritoni in un nuovo stato.

La non reciprocità – un fenomeno in cui le dinamiche del sistema sono diverse in direzioni opposte – è un ingrediente cruciale per creare quella che è nota come fase topologica artificiale della materia. La topologia è la classificazione matematica degli oggetti contando il numero di "buchi", ad esempio, una ciambella o un nodo possono avere un numero finito di buchi, mentre una palla non ne ha nessuno.

I materiali quantistici possono anche essere ingegnerizzati con una topologia diversa da zero, che in questo caso è incorporata in modo più astratto nella struttura a bande. Tali materiali possono mostrare comportamenti come il trasporto senza dissipazione, il che significa che possono muoversi senza perdita di energia, e altri fenomeni quantistici esotici.

È estremamente impegnativo introdurre la non-reciprocità nelle piattaforme ottiche ingegnerizzate e questa dimostrazione sperimentale semplice ed estensibile apre nuove opportunità per le tecnologie quantistiche emergenti che incorporano la topologia funzionale.

Il gruppo di ricerca, compreso il primo autore Yago del Valle Inclan Redondo, e guidato dal ricercatore senior Michael Fraser, entrambi di RIKEN CEMS e NTT Research, insieme a collaboratori provenienti da Germania, Singapore e Australia, hanno condotto uno studio in questa direzione.

Fraser afferma:"Abbiamo creato uno stato topologico di luce in una struttura a semiconduttore mediante un meccanismo che comporta una rapida modulazione del panorama energetico, con conseguente introduzione di una dimensione sintetica."

Una dimensione sintetica è un metodo per mappare una dimensione non spaziale, in questo caso il tempo, in una dimensione simile allo spazio, in modo tale che la dinamica del sistema possa evolversi in un numero maggiore di dimensioni e diventare più adatta a realizzare la materia topologica.

Questo lavoro si estende su una tecnica sviluppata dal gruppo, pubblicata lo scorso anno, che utilizzava in modo simile laser modulati temporalmente per guidare la rapida rotazione dei condensati di polaritoni.

Utilizzando questo semplice schema sperimentale che prevede l'interferenza tra due laser, gli scienziati sono stati in grado di organizzare i polaritoni esattamente nelle giuste dimensioni per creare una struttura a bande artificiale, il che significa che le particelle si sono organizzate in bande di energia come gli elettroni in un materiale.

Regolando le dimensioni, la profondità e la velocità del reticolo ottico dei polaritoni, si ottiene il controllo sulla struttura delle bande. Grazie a questo movimento rapido, i polaritoni vedono un diverso paesaggio energetico potenziale a seconda che si stiano propagando con o contro il flusso del reticolo, un effetto analogo allo spostamento Doppler del suono.

Questa risposta asimmetrica dei polaritoni confinati rompe la simmetria di inversione temporale, determinando la non reciprocità e la formazione di una struttura a bande topologica.

"Gli stati fotonici con proprietà topologiche possono essere utilizzati in dispositivi optoelettronici avanzati in cui la topologia potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni di dispositivi, circuiti e reti ottici, ad esempio riducendo il rumore e le potenze di soglia laser e guidando le onde ottiche senza dissipazione.

"Inoltre, la semplicità e la robustezza della nostra tecnica aprono nuove opportunità per lo sviluppo di dispositivi fotonici topologici con applicazioni nella metrologia quantistica e nell'informazione quantistica", conclude Fraser.