La compréhension de la physique quantique a impliqué la création d'un large éventail de quasiparticules. Ces constructions notionnelles décrivent des phénomènes émergents qui semblent avoir les propriétés de plusieurs autres particules mélangées.

Un exciton, par exemple, est une quasiparticule qui agit comme un électron lié à un trou électronique, ou l'espace vide dans un matériau semi-conducteur où pourrait se trouver un électron. Un pas de plus, un exciton-polariton combine les propriétés d'un exciton avec celles d'un photon, le faisant se comporter comme une combinaison de matière et de lumière. Atteindre et contrôler activement le bon mélange de ces propriétés, telles que leur masse, la vitesse, direction du mouvement et capacité à interagir fortement les uns avec les autres - est la clé pour appliquer les phénomènes quantiques à la technologie, comme les ordinateurs.

Maintenant, des chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie sont les premiers à créer une forme encore plus exotique de l'exciton-polariton, celui qui a un spin quantique défini qui est verrouillé dans sa direction de mouvement. Selon le sens de leur rotation, ces excitons-polaritons topologiques hélicoïdaux se déplacent dans des directions opposées le long de la surface d'un type tout aussi spécialisé d'isolant topologique.

Dans une étude publiée dans la revue Science , ils ont démontré ce phénomène à des températures beaucoup plus chaudes que le quasi-zéro absolu habituellement requis pour maintenir ce genre de phénomène quantique. La possibilité de router ces quasiparticules en fonction de leur spin dans des conditions plus conviviales, et un environnement où ils ne se rétrodiffusent pas, ouvre la possibilité de les utiliser pour transmettre des informations ou effectuer des calculs à des vitesses sans précédent.

L'étude a été dirigée par Ritesh Agarwal, professeur au Département de science et génie des matériaux, et Wenjing Liu, chercheur postdoctoral dans son laboratoire. Ils ont collaboré avec des chercheurs de l'Université du Hunan et de l'Université George Washington.

L'étude démontre également un nouveau type d'isolant topologique, une classe de matériau développée à Penn par Charles Kane et Eugene Mele qui a une surface conductrice et un noyau isolant. Les isolants topologiques sont appréciés pour leur capacité à propager des électrons à leur surface sans les disperser, et la même idée peut être étendue aux quasiparticules telles que les photons ou les polaritons.

« Remplacer les électrons par des photons rendrait les ordinateurs et autres technologies encore plus rapides, mais les photons sont très difficiles à moduler, itinéraire ou commutateur. Ils ne peuvent pas être transportés dans des virages serrés et fuient hors du guide d'ondes, " dit Agarwal. " C'est là que les excitons-polaritons topologiques peuvent être utiles, mais cela signifie que nous devons fabriquer de nouveaux types d'isolants topologiques qui peuvent fonctionner avec des polaritons. Si nous pouvions fabriquer ce type de matériau quantique, nous pourrions acheminer des excitons-polaritons le long de certains canaux sans aucune diffusion, ainsi que les moduler ou les commuter via des champs électriques appliqués de l'extérieur ou par de légers changements de température."

Le groupe d'Agarwal a créé plusieurs types d'isolants topologiques photoniques dans le passé. Alors que le premier isolant topologique à polaritons "chiral" a été signalé par un groupe en Europe, il fonctionnait à des températures extrêmement basses tout en nécessitant de forts champs magnétiques La pièce manquante, et distinction entre "chiral" et "hélicoïdal" dans ce cas, était la capacité de contrôler la direction du flux via le spin des quasiparticules.

« Pour créer cette phase, nous avons utilisé un semi-conducteur atomiquement mince, disulfure de tungstène, qui forme des excitons très étroitement liés, et l'a fortement couplé à un cristal photonique correctement conçu via l'ingénierie de la symétrie. Cette topologie induite non triviale aux polaritons résultants, " Agarwal dit. " A l'interface entre les cristaux photoniques avec une topologie différente, nous avons démontré la génération de polaritons topologiques hélicoïdaux qui ne se dispersent pas aux angles vifs ou aux défauts, ainsi que le transport dépendant du spin."

Agarwal et ses collègues ont mené l'étude à 200K, ou environ -100F sans avoir besoin d'appliquer de champs magnétiques. Bien que cela semble froid, il est considérablement plus chaud et plus facile à réaliser que des systèmes similaires qui fonctionnent à 4K, ou environ -450F.

Ils sont convaincus que des recherches plus poussées et des techniques de fabrication améliorées pour leur matériau semi-conducteur permettront facilement à leur conception de fonctionner à température ambiante.

« D'un point de vue académique, 200K est déjà presque la température ambiante, si de petites avancées dans la pureté du matériau pourraient facilement le pousser à travailler dans des conditions ambiantes, " dit Agarwal. " Atomiquement mince, Les matériaux « 2D » forment des excitons très puissants qui survivent à la température ambiante et au-delà, nous pensons donc que nous n'avons besoin que de petites modifications sur la façon dont nos matériaux sont assemblés. »

Le groupe d'Agarwal travaille maintenant à étudier comment les polaritons topologiques interagissent les uns avec les autres, ce qui les rapprocherait de leur utilisation dans des dispositifs photoniques pratiques.