n cuasipartículas conocidas como polaritones, los estados de luz y materia están fuertemente acoplados. El grupo del Prof. Ataç İmamoğlu ha desarrollado ahora un nuevo enfoque para estudiar las propiedades ópticas no lineales de los polaritones en estados electrónicos fuertemente correlacionados. Al hacerlo, Abrieron nuevas perspectivas para explorar ambos ingredientes del polariton:nuevas funcionalidades para dispositivos fotónicos y una visión fundamental de los estados exóticos de la materia.

El concepto de 'cuasipartículas' es un marco muy exitoso para la descripción de fenómenos complejos que surgen en sistemas de muchos cuerpos. Una especie de cuasipartículas que en particular ha atraído interés en los últimos años son los polaritones en materiales semiconductores. Estos se crean al iluminar un semiconductor, donde los fotones excitan ondas de polarización electrónica, llamados excitones. El proceso de creación es seguido por un período durante el cual la dinámica del sistema puede describirse como la de una entidad similar a una partícula que no es ni luz ni materia, sino una superposición de los dos. Solo una vez que esas cuasipartículas mixtas de materia ligera se desintegran, típicamente en la escala de tiempo de los picosegundos, los fotones recuperan su identidad individual. Escribiendo en el diario Naturaleza , Patrick Knüppel y sus colegas del grupo del profesor Ataç Imamoglu en el Departamento de Física de ETH Zurich ahora describen experimentos en los que los fotones liberados revelan información única sobre el semiconductor que acaban de dejar; al mismo tiempo, los fotones se han modificado de formas que no hubieran sido posibles sin interactuar con el material semiconductor.

Enseñando nuevos trucos a los fotones

Gran parte del interés reciente en los polaritones proviene de la perspectiva de que abran nuevas e intrigantes capacidades en fotónica. Específicamente, Los polaritones proporcionan un medio para permitir que los fotones hagan algo que los fotones no pueden hacer por sí mismos:interactuar entre sí. Los rayos de luz normalmente se atraviesan entre sí. Por el contrario, los fotones que están unidos en polaritones pueden interactuar a través de la parte de materia de este último. Una vez que esa interacción se pueda hacer lo suficientemente fuerte, las propiedades de los fotones se pueden aprovechar de nuevas formas, por ejemplo, para el procesamiento de información cuántica o en nuevos materiales cuánticos ópticos. Sin embargo, lograr interacciones lo suficientemente fuertes para tales aplicaciones no es tarea fácil.

Comienza con la creación de polaritones en primer lugar. El material semiconductor que aloja el sistema electrónico debe colocarse en una cavidad óptica, para facilitar un fuerte acoplamiento entre la materia y la luz. La creación de tales estructuras es algo que el grupo de Imamoglu ha perfeccionado a lo largo de los años, en colaboración con otros, en particular con el grupo del profesor Werner Wegscheider, también en el Departamento de Física de ETH Zurich. Otro desafío es hacer que la interacción entre polaritones sea lo suficientemente fuerte como para que tengan un efecto considerable durante la corta vida útil de las cuasipartículas. Cómo lograr una interacción tan fuerte polaritón-polaritón es actualmente un gran problema abierto en el campo, obstaculizar el progreso hacia aplicaciones prácticas. Y aquí Knüppel et al. ahora han hecho una contribución sustancial con su último trabajo.

Marcas distintivas de una fuerte interacción

Los físicos de ETH han encontrado una forma inesperada de mejorar la interacción entre polaritones, es decir, preparando adecuadamente los electrones con los que los fotones están a punto de interactuar. Específicamente, comenzaron con los electrones inicialmente en el llamado régimen de Hall cuántico fraccional, donde los electrones están confinados a dos dimensiones y expuestos a un alto campo magnético, para formar estados altamente correlacionados impulsados ​​enteramente por interacciones electrón-electrón. Para valores particulares del campo magnético aplicado, que determina el llamado factor de relleno que caracteriza el estado cuántico de Hall, observaron que los fotones que brillaban y se reflejaban en la muestra mostraban firmas claras de acoplamiento óptico a los estados cuánticos de Hall (ver la figura).

En tono rimbombante, la dependencia de la señal óptica del factor de llenado del sistema de electrones también apareció en la parte no lineal de la señal, un fuerte indicador de que los polaritones han interactuado entre sí. En el régimen de Hall cuántico fraccional, las interacciones polaritón-polaritón fueron hasta un factor diez más fuertes que en los experimentos con los electrones fuera de ese régimen. Esa mejora en un orden de magnitud es un avance significativo en relación con las capacidades actuales, y podría ser suficiente para permitir demostraciones clave de 'polaritónica' (como un fuerte bloqueo de polariton). Esto sobre todo como en los experimentos de Knüppel et al. el aumento de interacciones no se produce a expensas de la vida útil del polariton, en contraste con muchos intentos anteriores.

El poder, y desafíos, de óptica no lineal

Más allá de las implicaciones de manipular la luz, Estos experimentos también llevan la caracterización óptica de estados de muchos cuerpos de sistemas de electrones bidimensionales a un nuevo nivel. Establecen cómo separar la contribución no lineal débil a la señal de la lineal dominante. Esto ha sido posible gracias a un nuevo tipo de experimento que han desarrollado los investigadores de ETH. Un desafío importante fue lidiar con el requisito de tener que iluminar la muestra con luz de potencia relativamente alta, para modificar la señal no lineal débil. Para garantizar que los fotones que inciden en el semiconductor no provoquen modificaciones no deseadas en el sistema de electrones, en particular, ionización de cargas atrapadas:el equipo de Imamoglu-Wegscheider diseñó una estructura de muestra que tiene una sensibilidad reducida a la luz, y realizaron experimentos con excitación pulsada en lugar de continua, para minimizar la exposición a la luz.

El conjunto de herramientas desarrollado ahora para medir la respuesta óptica no lineal de los estados cuánticos de Hall debería permitir una nueva visión más allá de lo que es posible con las mediciones ópticas lineales o en los experimentos de transporte utilizados tradicionalmente. Esta es una buena noticia para quienes estudian la interacción entre las excitaciones fotónicas y los sistemas de electrones bidimensionales, un campo en el que no faltan los problemas científicos abiertos.