Investigadores de ANU demostraron recientemente un método novedoso para generar estados de momento angular orbital (vórtices), con una carga topológica asegurada por un punto excepcional.

Estudios recientes en la ANU resuelven un problema sobresaliente en la física de excitones-polaritones, y abrir emocionantes direcciones de investigación futuras en el campo.

El trabajo del ex investigador postdoctoral de ANU Tingge Gao y los investigadores de FLEET Guangyao Li, Eli Estrecho y Elena Ostrovskaya, junto a colaboradores de la ANU e internacionalmente, resultó en la observación de la función de onda excitón-polaritón en un punto especial en el espacio de parámetros que se conoce como un "punto excepcional" (EP).

El EP exhibe una quiralidad inherente o "destreza" que los investigadores emplearon para generar vórtices de manera robusta en un fluido cuántico excitón-polaritón.

Puntos de excepción y partículas de materia ligera

Los puntos excepcionales surgen cuando las resonancias coinciden en un sistema con ganancia y pérdida que resulta en la fusión de las funciones de onda correspondientes.

Como el nombre sugiere, un EP presenta un comportamiento contrario a la intuición y es el foco de una intensa investigación reciente en sistemas clásicos como la óptica, microondas plasmónicos, acústica, y optomecánica.

Debido a la topología no trivial del EP, la fusión de las funciones de onda da como resultado una "destreza manual" (quiralidad) bien definida.

Sin embargo, esta quiralidad no se había demostrado previamente en ningún sistema cuántico. El estudio de ANU fue la primera demostración de tal estado quiral en un EP en un sistema cuántico macroscópico de excitones-polaritones condensados.

Los excitones-polaritones son partículas híbridas que son parte de materia y parte de luz, unidos por un fuerte acoplamiento dentro de microcavidades semiconductoras, donde pueden formar un condensado de Bose-Einstein.

En tono rimbombante, La existencia de EP y la fase topológica asociada en excitones-polaritones fue demostrada por primera vez por el grupo ANU en 2015. Este resultado allanó el camino para nuevos estudios de física cuántica 'no hermitiana' de excitones-polaritones, que puede descubrir nuevos principios operativos para dispositivos basados ​​en polariton.

En el laboratorio de polariton-BEC en ANU, Los investigadores generaron flujos de vórtice con destreza manual fija (quiralidad) en fluidos cuánticos excitón-polaritón ajustando cuidadosamente la forma del resonador inducido por la luz.

El trabajo anterior del mismo grupo ya mostró la generación de vórtices, utilizando la forma quiral del paisaje potencial.

En este nuevo trabajo, la quiralidad surge de la topología del EP más que del potencial inducido por la luz.

Esto se logró impulsando dos resonancias correspondientes a modos dipolares no quirales (dos lóbulos) entre sí. Cerca de un EP, la interferencia de estos modos resultó en un estado quiral, que es un flujo de vórtice.

El trabajo demuestra un nuevo método para generar estados de momento angular orbital con una carga topológica que está protegida por la topología no trivial del EP.

La investigación fue dirigida por el ex investigador postdoctoral de la ANU, Tingge Gao.

La quiralidad de un modo en un EP es una propiedad fundamental de los sistemas con ganancia y pérdida (conocidos como sistemas no hermitianos) y se ha demostrado previamente en ondas clásicas (en particular, en sistemas ópticos y de microondas). El trabajo de ANU marca la primera observación de este tipo en un sistema cuántico.

El trabajo abre una emocionante dirección de investigación futura en la física de excitones-polaritones:la explotación de propiedades no triviales de los EP dentro de un sistema cuántico podría conducir a avances aún más interesantes, como la detección mejorada y la conmutación topológica. que hasta ahora sólo se han demostrado en sistemas clásicos.

Es más, el trabajo fomenta futuros estudios experimentales de la física no hermitiana, incluida la agrupación de EP y la creación de EP de orden superior en un sistema cuántico macroscópico.

El estudio Modos quirales en puntos excepcionales en fluidos cuánticos excitón-polaritón se publicó en Cartas de revisión física en febrero de 2018.