Los investigadores utilizan regularmente sistemas de materia condensada y tecnologías fotónicas para crear plataformas a microescala que pueden simular la dinámica compleja de muchas partículas cuánticas que interactúan en un entorno más accesible. Algunos ejemplos incluyen conjuntos atómicos ultrafríos en redes ópticas, matrices superconductoras y cristales fotónicos y guías de ondas. En 2006 surgió una nueva plataforma con la demostración de fluidos cuánticos macroscópicamente coherentes de excitones-polaritones para explorar fenómenos cuánticos de muchos cuerpos a través de técnicas ópticas.
Cuando se coloca una pieza semiconductora entre dos espejos (un microresonador óptico), las excitaciones electrónicas internas pueden verse fuertemente influenciadas por los fotones atrapados entre los espejos. Las nuevas partículas cuánticas bosónicas resultantes, conocidas como excitones-polaritones (o polaritones para abreviar), pueden, en las circunstancias adecuadas, sufrir una transición de fase hacia un condensado de Bose-Einstein en desequilibrio y formar un fluido cuántico macroscópico o una gota de luz.
Los fluidos cuánticos de polaritones tienen muchas propiedades destacadas, una de las cuales es que son ópticamente configurables y legibles, lo que permite mediciones sencillas de la dinámica de los polaritones. Esto es lo que los hace tan ventajosos para simular la física de muchos cuerpos.
Los condensados de Polariton deben bombearse ópticamente de forma continua con láseres externos para reponer las partículas; de lo contrario, el condensado se disipa en picosegundos. Sin embargo, cuanto más fuerte se bombea el condensado, más enérgico se vuelve debido a las fuerzas repulsivas entre partículas, lo que hace que las partículas escapen del condensado y la posterior decadencia de las correlaciones espaciales.
Este es un problema fundamental para los simuladores de polaritones ópticamente programables. Los científicos necesitaban encontrar una manera de hacer que el condensado fuera más estable y duradero sin dejar de ser bombeado ópticamente.
Los científicos del CNR Nanotec de Lecce y de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia lograron este objetivo utilizando una nueva generación de rejillas fotónicas semiconductoras. En su artículo titulado "Moléculas de fluidos cuánticos reconfigurables de estados ligados en el continuo", publicado en Nature Physics , utilizaron propiedades de sublongitud de onda de la rejilla fotónica para dotar a los polaritones de nuevas propiedades.
En primer lugar, se podría hacer que los polaritones se condensaran en un estado de vida ultralargo conocido como estado ligado en el continuo (BIC). Lo fascinante de los BIC es que en su mayoría no son radiativos debido a la protección impuesta por la simetría del continuo exterior de los modos fotónicos.
En segundo lugar, los polaritones obtuvieron una masa efectiva negativa debido a la relación de dispersión proveniente de la rejilla. Esto significaba que los polaritones bombeados ya no podían escapar tan fácilmente a través de los canales de desintegración normales. Ahora, los investigadores poseían fluidos de polariton que eran extremadamente duraderos y confinados de forma segura utilizando únicamente técnicas ópticas.
Combinados, estos mecanismos permitieron a Antonio Gianfrate y Danielle Sanvitto de CNR Nanotec en Lecce bombear ópticamente múltiples gotas de polaritones que podrían interactuar e hibridarse en complejos macroscópicos. Podrían adaptar y configurar de forma reversible cadenas y arreglos moleculares utilizando esta nueva forma de átomos artificiales:condensados de polaritones BIC de masa negativa.
La propiedad BIC proporcionó a los polaritones una vida útil mucho más larga, mientras que la propiedad de masa negativa provocó que quedaran atrapados ópticamente. Los hallazgos fueron respaldados por una teoría BIC Dirac-polariton desarrollada entre Helgi Sigurdsson (Universidad de Varsovia), Hai Chau Nguyen (Universidad de Siegen, Alemania) y Hai Son Nguyen (Univ Lyon, Francia).
La ventaja fundamental de la plataforma es que los complejos cuánticos artificiales pueden programarse totalmente ópticamente, pero conservan una vida útil muy larga debido a su protección del continuo. Esto podría conducir a una nueva aventura en fluidos cuánticos a gran escala ópticamente programables, definidos por escalas de coherencia y estabilidad sin precedentes para simulación de sistemas complejos basada en láser no lineal estructurado y polaritones.
"Todavía hay varias formas interesantes de explorar en este sistema polaritónico artificial de Dirac. Como ejemplo, el mecanismo de acoplamiento entre las gotas de polaritones a lo largo y perpendicular a la dirección de la rejilla es muy diferente. A lo largo de la guía de ondas, los polaritones son efectivamente partículas de masa negativa fuertemente unidas a su lugar de bombeo."
"Perpendicularmente a la guía de ondas, se mueven como partículas de masa positiva sometidas a transporte balístico. La combinación de estos dos mecanismos abre una nueva ventana para observar los comportamientos emergentes de sincronía y formación de patrones en fluidos cuánticos estructurados de polaritones", concluye Helgi Sigurðsson de la Facultad de Física, Universidad de Varsovia.
Más información: Antonio Gianfrate et al, Moléculas de fluido cuántico reconfigurables de estados ligados en el continuo, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02281-3
Proporcionado por la Universidad de Varsovia
