Investigadores de los Laboratorios de Fotónica Híbrida en Skoltech y Southampton (Reino Unido), en colaboración con la Universidad de Lancaster (Reino Unido), han demostrado un nuevo método óptico para sintetizar estructuras de cristal de estado sólido artificiales para polaritones de cavidad utilizando solo luz láser. Los resultados podrían conducir a la realización de circuitos de polaritón programables en campo y nuevas estrategias para crear luz guiada y un confinamiento robusto de fuentes de luz coherentes. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

La creación de redes artificiales para partículas cuánticas permite a los investigadores explorar la física en un entorno que podría no encontrarse convencionalmente en la naturaleza. Las celosías artificiales son especialmente atractivas ya que sus simetrías a menudo conducen a modelos que se pueden resolver con exactitud y una comprensión transparente de sus propiedades. Diseñándolos, sin embargo, es una tarea desafiante con una flexibilidad limitada. Los materiales deben diseñarse de manera irreversible para hacer el trabajo, e incluso las técnicas de celosía óptica para átomos fríos no pueden producir formas de celosía arbitrarias.

Los investigadores, Dr. Lucy Pickup (Southampton), Dr. Helgi Sigurdsson (Southampton y Skoltech), Prof. Janne Ruostekoski (Lancaster), y el profesor Pavlos Lagoudakis (Skoltech y Southampton), superó este desafío desarrollando un nuevo método para crear celosías artificiales reprogramables y de forma arbitraria utilizando solo luz láser estructurada. La reprogramación significaba que el sistema cavidad-polaritón podía cambiarse de una celosía a otra sin la costosa necesidad de diseñar un nuevo sistema desde cero.

Cuando la luz láser incide en un pozo cuántico semiconductor, excita electrones y huecos, así como estados ligados de los dos conocidos como excitones. Cuando el pozo cuántico se coloca entre dos espejos, formando una trampa (o una cavidad) para los fotones, algunas de las partículas de excitón se visten de fotones, formando una exótica media luz, cuasipartículas de media materia conocidas como excitones-polaritones o polaritones de cavidad.

Los excitones-polaritones son interactivos y rebotan frecuentemente entre sí. Sin embargo, también rebotan en electrones normales, agujeros y excitones en el fondo. Los investigadores demostraron que al aplicar luz láser de forma geométricamente estructurada, los excitones-polaritones comenzaron a rebotar de los electrones excitados, agujeros y excitones que siguen la forma del láser. En otras palabras, los excitones-polaritones comenzaron a experimentar un paisaje de potencial sintético impreso por el láser.

Los paisajes potenciales generados por láser solo se sienten por los excitones-polaritones y no por los fotones dentro de la cavidad. distinguir el sistema de los cristales fotónicos. Al crear un patrón láser con simetría traslacional, los investigadores produjeron la firma fundamental de los sistemas de estado sólido, la formación de bandas de energía cristalina para excitones-polaritones como las de los electrones en materiales de estado sólido.

"Los resultados abren un camino para estudiar la física cuántica disipativa de muchos cuerpos en un entorno de celosía con propiedades que no se pueden reproducir en los sistemas cuánticos hermitianos normales". "Dr. Lucy Pickup, coautor del artículo, dice.

El Dr. Helgi Sigurdsson agrega:"Es un desarrollo emocionante para el campo relativamente nuevo de la física topológica no hermitiana".

Las bandas producidas se pueden reconfigurar simplemente ajustando el patrón láser, permitiendo un método no invasivo para acceder a la física cuántica en redes artificiales. Los resultados podrían ser útiles en una variedad de aplicaciones, incluidas las comunicaciones de base óptica, procesamiento de información, detectores de alta sensibilidad para uso biomédico y láser protegido topológicamente. Los resultados también abren un camino para estudiar la física reticular fundamental de muchos cuerpos en un entorno cuántico abierto (no hermitiano).