Une équipe de recherche internationale a produit un analogue d'un réseau cristallin de corps solide à partir de polaritons, quasiparticules hybrides photon-électron. Dans le réseau de polaritons résultant, l'énergie de certaines particules ne dépend pas de leur vitesse. À la fois, la géométrie du réseau, les propriétés de concentration et de polarisation des particules peuvent encore être modifiées. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour l'étude des effets quantiques et l'utilisation du calcul optique. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Un corps solide est formé autour d'un réseau cristallin formé par des noyaux atomiques. La géométrie du réseau peut influencer la relation entre l'énergie et la vitesse d'une particule. Les réseaux sont divisés en plusieurs sortes selon leurs propriétés géométriques. Certains d'entre eux, comme le réseau de Lieb, ont des bandes dites plates :un état dans lequel les particules ne montrent aucune relation énergie-vitesse. D'un point de vue formel, les particules en bandes plates ont une masse effective infinie.

Les bandes plates sont d'un grand intérêt pour la science fondamentale. Ils sont utilisés pour étudier les supraconducteurs, ferroaimants et autres phases quantiques des électrons. Cependant, les phases quantiques peuvent également être observées dans les particules élémentaires légères, les photons. Cela nécessite de créer un cristal dit photonique à géométrie ajustable, un analogue photonique artificiel d'un corps solide. De telles conditions permettent aux scientifiques d'observer et de gérer beaucoup plus facilement diverses propriétés quantiques des particules.

Des physiciens de l'Université ITMO et de l'Université de Sheffield ont créé un analogue photonique d'un réseau de Lieb et confirmé que les effets quantiques dans une structure photonique sont en effet plus forts. "À proprement parler, nous avions affaire à des polaritons plutôt qu'à des photons, " explique Dmitri Kryjanovsky, chercheur principal à l'Université ITMO et professeur à l'Université de Sheffield. "Cette condition hybride se produit lorsque des électrons excités se mélangent à des photons. De telles particules hybrides interagissent les unes avec les autres, un peu comme le font les électrons dans un corps solide. Nous avons utilisé des polaritons pour créer un réseau cristallin et étudié leurs nouvelles propriétés. Nous savons maintenant comment les polaritons se condensent en bandes plates, comment leur interaction brise la symétrie du rayonnement et comment leurs propriétés de spin ou de polarisation changent.

Puisque les polaritons maintiennent leur rotation de spin en continu, les scientifiques sont maintenant capables d'observer la polarisation pendant longtemps. Par ailleurs, un contrôle facile de la concentration de polaritons dans le réseau offre plus d'options pour une gestion précise du système.

« D'un point de vue fondamental, les cristaux polaritons sont intéressants en ce qu'ils fournissent une grande variété de phases et d'effets quantiques que nous ne pouvons pas étudier dans des cristaux standards, " dit Ivan Chelykh, directeur du Laboratoire international de photoprocédés dans les systèmes mésoscopiques à l'Université ITMO. "La polarisation peut servir d'élément de stockage d'informations. Tous les calculs sont basés sur un système binaire. Il doit y avoir 0 et 1, ainsi, pour implémenter le calcul optique, nous avons besoin de deux états correspondants. Polarisation, droite et gauche, avec un certain nombre de combinaisons intermédiaires, est un candidat idéal pour le traitement de l'information au niveau quantique."

Une grande contribution à la création et à l'étude des réseaux cristallins de polaritons a été apportée par le personnel de l'Université de Sheffield. Le professeur Maurice Skolnick de Sheffield dirige un projet de grande envergure sur les états hybrides de la lumière avec Ivan Shelykh. "Toutes les expériences ont été menées à Sheffield, tandis que la modélisation théorique et l'analyse des résultats ont été effectuées à l'Université ITMO, " dit Shelykh. " Je considère ce travail comme un bon exemple de ce à quoi la science devrait ressembler. Les résultats d'une expérience sont incompréhensibles lorsqu'ils sont publiés sans aucune interprétation. De la même manière, la théorie brute utilisant des paramètres irréalistes est difficile à appliquer dans la pratique. Mais ici, nous avons combiné la théorie avec l'expérience et nous prévoyons de continuer de cette façon. Notre prochain objectif est d'obtenir et d'étudier les conditions aux limites topologiques d'un tel réseau."