Un groupe international de physiciens est parvenu pour la première fois à observer expérimentalement la transition entre deux états de la matière, propageant des polaritons-solitons et un condensat de Bose-Einstein. Par ailleurs, les physiciens ont développé un modèle théorique pour expliquer de telles transitions et ont trouvé un moyen de basculer entre les états en modifiant la puissance de pompage laser dans le processus de formation du polariton. Les résultats sont publiés dans Lettres d'examen physique .
Les systèmes non linéaires sont largement étudiés dans un large éventail de systèmes physiques, notamment en photonique. Dans de tels systèmes, les interactions entre particules conduisent à toute une gamme d'effets nouveaux tels que des transitions non linéaires entre différents états de base de la matière, y compris les polaritons, solitons et condensats de Bose-Einstein.
"Les polaritons sont des quasi-particules formées en raison de l'hybridation entre la matière et la lumière. Une fois qu'elles sont alimentées en énergie et densités supplémentaires, ils forment des excitations collectives, solitons. Un soliton a la capacité de se propager dans l'espace, en préservant sa forme. En d'autres termes, bien qu'il s'agisse d'un état collectif composé de nombreuses particules, un soliton se comporte comme une seule particule. À la fois, un condensat de Bose-Einstein est un état quantique de la matière où toutes les particules, dans notre cas les polaritons, peupler l'état fondamental du système avec une énergie minimale. D'habitude, l'état fondamental est étendu à toute la zone du système à l'étude. Le soliton et le condensat de Bose-Einstein sont deux régimes très différents, et nous avons réussi à observer la transition entre eux, " explique Ivan Chelykh, directeur du Laboratoire international de photoprocédés dans les systèmes mésoscopiques à l'Université ITMO de Saint-Pétersbourg.
Le groupe composé du professeur Maurice Skolnick, Le Dr Dmitry Krizhanovskii et le Dr Maksym Sich de l'Université de Sheffield ont obtenu les données expérimentales, tandis que le groupe théorique dirigé par Ivan Shelykh a développé un modèle théorique pour la description quantitative de l'expérience. "Nous avons d'abord dû créer des polaritons, " explique Maurice Skolnick. " Cela nécessitait la fabrication de structures semi-conductrices initiales avec des caractéristiques définies avec précision. Ensuite, nous avons braqué un laser sur la structure à des températures aussi basses que 4 degrés Kelvin, créé des polaritons et détecté la lumière qu'ils émettent."
Les chercheurs ont observé qu'une augmentation de la puissance de pompage laser déclenchait des effets non linéaires dans le système. "Augmenter la puissance laser, nous créons de plus en plus de particules, qui commencent à interagir les uns avec les autres. Par conséquent, l'ensemble du système entre dans un régime non linéaire. Des polaritons séparés forment des solitons, qui sont ensuite transférés dans un condensat de Bose-Einstein. Même s'il était clair que nous avions obtenu des résultats intéressants, sans une bonne théorie, nous n'aurions jamais compris ce qu'ils signifiaient réellement, " continue Skolnick.
Le modèle théorique expliquant les données expérimentales a été développé par le groupe d'Ivan Shelykh. Ce travail collaboratif a été réalisé avec le soutien d'une méga-subvention du ministère de l'Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie sur l'étude des états de lumière hybrides. "Le Megagrant nous a donné la possibilité d'initier une collaboration productive avec les principaux expérimentateurs de Sheffield. Au cours d'un an de notre travail collaboratif, nous avons publié deux articles majeurs, combiner les expériences avec la théorie, " note Shelykh.
D'autres projets de recherche incluent la réduction de la taille des systèmes de transitions non linéaires à l'échelle des sous-longueurs d'onde. Maurice Skolnick a décrit les perspectives de l'étude :« Maintenant, ce travail a une signification principalement fondamentale car nous avons décrit une physique complètement nouvelle. Pourtant, une fois que nous avons fabriqué des appareils miniatures, il sera possible d'utiliser des transitions non linéaires entre différents états de la matière pour les télécommunications ou, par exemple, pour la création de nouveaux lasers."
