I sistemi di materia condensata e le tecnologie fotoniche vengono regolarmente utilizzati dai ricercatori per creare piattaforme su microscala in grado di simulare la complessa dinamica di molte particelle quantistiche interagenti in un ambiente più accessibile. Alcuni esempi includono insiemi atomici ultrafreddi in reticoli ottici, schiere superconduttrici e cristalli fotonici e guide d'onda. Nel 2006 è emersa una nuova piattaforma con la dimostrazione di fluidi quantistici macroscopicamente coerenti di eccitoni-polaritoni per esplorare fenomeni quantistici a molti corpi attraverso tecniche ottiche.
Quando un pezzo di semiconduttore viene posizionato tra due specchi, un microrisonatore ottico, le eccitazioni elettroniche all'interno possono essere fortemente influenzate dai fotoni intrappolati tra gli specchi. Le nuove particelle quantistiche bosoniche risultanti, note come eccitoni-polaritoni (o polaritoni in breve), possono, nelle giuste circostanze, subire una transizione di fase in un condensato di Bose-Einstein di non equilibrio e formare un fluido quantistico macroscopico o una goccia di luce.
I fluidi quantistici dei polaritoni hanno molte proprietà salienti, una delle quali è che sono otticamente configurabili e leggibili, consentendo facili misurazioni della dinamica dei polaritoni. Questo è ciò che li rende così vantaggiosi per simulare la fisica a molti corpi.
I condensati di Polariton devono essere continuamente pompati otticamente con laser esterni per ricostituire le particelle, altrimenti il condensato si dissipa in picosecondi. Tuttavia, più si pompa la condensa, più energetica diventa a causa delle forze repulsive interparticellari, che portano alla fuoriuscita delle particelle dalla condensa e al conseguente decadimento delle correlazioni spaziali.
Questo è un problema fondamentale per i simulatori di polaritoni otticamente programmabili. Gli scienziati dovevano trovare un modo per rendere la condensa più stabile e longeva pur continuando a essere pompata otticamente.
Gli scienziati del CNR Nanotec di Lecce e della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando una nuova generazione di reticoli fotonici semiconduttori. Nel loro articolo intitolato "Reconfigurable quantum fluid molecole of bound states in the continuum", pubblicato su Nature Physics , hanno utilizzato le proprietà della lunghezza d'onda secondaria del reticolo fotonico per conferire ai polaritoni nuove proprietà.
Innanzitutto, i polaritoni potrebbero essere spinti a condensarsi in uno stato di vita ultralungo noto come stato legato nel continuo (BIC). La cosa affascinante dei BIC è che sono per lo più non radiativi a causa della protezione forzata dalla simmetria dal continuum esterno dei modi fotonici.
In secondo luogo, i polaritoni hanno ottenuto una massa effettiva negativa a causa della relazione di dispersione proveniente dal reticolo. Ciò significava che i polaritoni pompati non potevano più sfuggire così facilmente attraverso i normali canali di decadimento. Ora, i ricercatori possedevano fluidi polaritoni estremamente longevi e confinati in modo sicuro utilizzando solo tecniche ottiche.
Combinati, questi meccanismi hanno consentito ad Antonio Gianfrate e Danielle Sanvitto del CNR Nanotec di Lecce di pompare otticamente più goccioline di polaritoni che potrebbero interagire e ibridarsi in complessi macroscopici. Potrebbero personalizzare e configurare in modo reversibile disposizioni e catene molecolari utilizzando questa nuova forma di atomi artificiali:condensati di polaritoni BIC di massa negativa.
La proprietà BIC ha fornito ai polaritoni una vita media molto più lunga, mentre la proprietà di massa negativa li ha fatti rimanere otticamente intrappolati. I risultati sono stati supportati da una teoria BIC Dirac-polariton sviluppata tra Helgi Sigurdsson (Università di Varsavia), Hai Chau Nguyen (Università di Siegen, Germania) e Hai Son Nguyen (Università di Lione, Francia).
Il vantaggio finale della piattaforma è che i complessi quantistici artificiali possono essere programmati completamente otticamente, ma mantengono una durata di vita molto elevata grazie alla loro protezione dal continuum. Ciò potrebbe portare a una nuova avventura nel campo dei fluidi quantistici su larga scala otticamente programmabili, definiti da scale di coerenza e stabilità senza precedenti per la simulazione laser non lineare strutturata e basata sui polaritoni di sistemi complessi.
"Ci sono ancora diversi modi interessanti da esplorare in questo sistema artificiale di Dirac polaritonico. Ad esempio, il meccanismo di accoppiamento tra le goccioline di polaritoni lungo e perpendicolare alla direzione del reticolo è molto diverso. Lungo la guida d'onda, i polaritoni sono effettivamente particelle di massa negativa fortemente legate a il loro punto di riferimento."
"Perpendicolarmente alla guida d'onda, si muovono come particelle di massa positiva sottoposte a trasporto balistico. La combinazione di questi due meccanismi apre una nuova finestra per osservare i comportamenti emergenti di sincronia e formazione di schemi nei fluidi quantistici polaritoni strutturati", conclude Helgi Sigurðsson della Facoltà di Scienze Fisica, Università di Varsavia.
Ulteriori informazioni: Antonio Gianfrate et al, Molecole fluide quantistiche riconfigurabili di stati legati nel continuo, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02281-3
Fornito dall'Università di Varsavia
