Investigadores de Skoltech y la Universidad de Cambridge han demostrado que los polaritones, las peculiares partículas que pueden terminar ejecutando las supercomputadoras cuánticas del futuro, pueden formar estructuras que se comportan como moléculas, y estas "moléculas artificiales" pueden potencialmente diseñarse bajo demanda. El artículo que describe estos resultados se publicó en la revista Revisión física B .

Los polaritones son partículas cuánticas que consisten en un fotón y un excitón, otra cuasipartícula, uniendo luz y materia en una curiosa unión que abre multitud de posibilidades en los dispositivos polaritónicos de próxima generación. Alexander Johnston, Kirill Kalinin y Natalia Berloff, profesor del Centro Skoltech de Fotónica y Materiales Cuánticos y de la Universidad de Cambridge, han demostrado que los condensados ​​de polariton acoplados geométricamente, que aparecen en dispositivos semiconductores, son capaces de simular moléculas con diversas propiedades.

Las moléculas ordinarias son grupos de átomos unidos por enlaces moleculares, y sus propiedades físicas difieren de las de sus átomos constituyentes de manera bastante drástica:considere la molécula de agua, H2O, e hidrógeno y oxígeno elementales. "En nuestro trabajo, mostramos que los grupos de condensados ​​polaritónicos y fotónicos que interactúan pueden formar una gama de entidades exóticas y completamente distintas, "moléculas", que pueden manipularse artificialmente. Estas "moléculas artificiales" poseen nuevos estados energéticos, propiedades ópticas, y modos vibracionales de los de los condensados ​​que los componen, "Johnston, del Departamento de Matemática Aplicada y Física Teórica de la Universidad de Cambridge, explica.

Cuando los investigadores estaban ejecutando simulaciones numéricas de dos, Tres, y cuatro condensados ​​de polariton que interactúan, notaron algunos estados estacionarios asimétricos curiosos en los que no todos los condensados ​​tienen la misma densidad en su estado fundamental. "Tras una mayor investigación, Descubrimos que tales estados se presentaban en una amplia variedad de formas diferentes, que podría controlarse manipulando ciertos parámetros físicos del sistema. Esto nos llevó a proponer fenómenos como las "moléculas de polaritón artificial" e investigar sus usos potenciales en los sistemas de información cuántica. "Dice Johnston.

En particular, el equipo se centró en una "díada asimétrica, "que consiste en dos condensados ​​que interactúan con ocupaciones desiguales. Cuando dos de esas díadas se combinan en una estructura de tétrada, el último es, en algún sentido, análogo a una molécula homonuclear, por ejemplo, al hidrógeno molecular H2. Es más, Las moléculas artificiales de polariton también pueden formar estructuras más elaboradas, que podrían considerarse como "compuestos artificiales de polariton".

"No hay nada que impida la creación de estructuras más complejas. De hecho, en nuestro trabajo hemos encontrado que existe una amplia gama de exóticos, estados asimétricos posibles en configuraciones de tétrada. En algunos de estos, todos los condensados ​​tienen diferentes densidades (a pesar de que todos los acoplamientos tienen la misma resistencia), invitando a una analogía con los compuestos químicos, "Observa Alexander Johnston.

En estructuras de tétradas específicas, cada díada asimétrica puede verse como un "giro, "definido por la orientación de la asimetría de densidad. Esto tiene consecuencias interesantes para los grados de libertad del sistema (los parámetros físicos independientes requeridos para definir estados); los" espines "introducen un grado discreto de libertad, además de los grados de libertad continuos que dan las fases del condensado.

La orientación relativa de cada una de las díadas se puede controlar variando la fuerza de acoplamiento entre ellas. Dado que los sistemas de información cuántica pueden tener una mayor precisión y eficiencia si utilizan algún tipo de sistema híbrido discreto-continuo, Por lo tanto, el equipo propuso esta estructura de tétrada híbrida como base potencial para dicho sistema.

"Además, hemos descubierto una plétora de estados asimétricos exóticos en sistemas de tríadas y tétradas. Es posible realizar una transición sin problemas entre dichos estados simplemente variando la fuerza de bombeo utilizada para formar los condensados. Esta propiedad sugiere que tales estados podrían formar la base de un sistema lógico polaritónico de valores múltiples, lo que podría permitir el desarrollo de dispositivos polaritónicos que disipan significativamente menos energía que los métodos tradicionales y, potencialmente, operar órdenes de magnitud más rápido, "Dice el profesor Berloff.