Des chercheurs de l'ANU ont récemment prouvé une nouvelle méthode pour générer des états de moment angulaire orbitaux (vortex), avec une charge topologique assurée par un point d'exception.

Des études récentes à l'ANU résolvent un problème en suspens en physique des excitons-polaritons, et ouvrir des perspectives de recherche futures passionnantes dans le domaine.

Les travaux de l'ancien chercheur postdoctoral ANU Tingge Gao et des chercheurs FLEET Guangyao Li, Eli Estrecho et Elena Ostrovskaya, avec des collaborateurs à l'ANU et à l'international, a abouti à l'observation de la fonction d'onde exciton-polariton à un point spécial dans l'espace des paramètres qui est connu comme un « point exceptionnel » (PE).

L'EP présente une chiralité inhérente ou « maniabilité » que les chercheurs ont utilisée pour générer de manière robuste des tourbillons dans un fluide quantique exciton-polariton.

Points d'exception et particules de matière légère

Des points exceptionnels surviennent lorsque les résonances coïncident dans un système avec un gain et une perte entraînant la fusion des fonctions d'onde correspondantes.

Comme le nom le suggère, un EP présente un comportement contre-intuitif et est au centre de recherches intenses récentes dans les systèmes classiques tels que l'optique, micro-ondes, plasmonique, acoustique, et optomécanique.

En raison de la topologie non triviale du PE, la fusion des fonctions d'onde aboutit à une « maniabilité » bien définie (chiralité).

Cependant, cette chiralité n'avait été démontrée auparavant dans aucun système quantique. L'étude ANU a été la première démonstration d'un tel état chiral à un EP dans un système quantique macroscopique d'excitons-polaritons condensés.

Les excitons-polaritons sont des particules hybrides qui sont en partie matière et en partie lumière, liés entre eux par un couplage fort au sein de microcavités semi-conductrices, où ils peuvent former un condensat de Bose-Einstein.

Surtout, l'existence d'EP et de la phase topologique associée dans les excitons-polaritons a été démontrée pour la première fois par le groupe ANU en 2015. Ce résultat a ouvert la voie à d'autres études de la physique quantique « non hermitienne » des excitons-polaritons, ce qui peut révéler de nouveaux principes de fonctionnement pour les appareils à polaritons.

Dans le laboratoire polariton-BEC de l'ANU, les chercheurs ont généré des flux de vortex avec une main fixe (chiralité) dans des fluides quantiques excitons-polaritons en ajustant soigneusement la forme du résonateur induite par la lumière.

Des travaux antérieurs du même groupe ont déjà montré la génération de vortex, en utilisant la forme chirale du paysage potentiel.

Dans ce nouveau travail, la chiralité provient de la topologie du PE plutôt que du potentiel induit par la lumière.

Ceci a été réalisé en conduisant deux résonances correspondant à des modes dipolaires non chiraux (à deux lobes) l'une vers l'autre. A proximité d'un EP, l'interférence de ces modes a entraîné un état chiral, qui est un écoulement tourbillonnaire.

Le travail démontre une nouvelle méthode pour générer des états de moment angulaire orbitaux avec une charge topologique qui est protégée par la topologie non triviale du PE.

La recherche a été dirigée par l'ancien chercheur postdoctoral de l'ANU Tingge Gao.

La chiralité d'un mode à un EP est une propriété fondamentale des systèmes à gain et à perte (appelés systèmes non hermitiens) et a déjà été démontrée dans les ondes classiques (en particulier dans les systèmes hyperfréquence et optiques). Les travaux de l'ANU marquent la première observation de ce type dans un système quantique.

Les travaux ouvrent une future direction de recherche passionnante en physique des excitons-polaritons :l'exploitation des propriétés non triviales des EP au sein d'un système quantique pourrait conduire à des avancées encore plus intéressantes telles que la détection améliorée et la commutation topologique, qui jusqu'à présent n'ont été démontrés que dans les systèmes classiques.

Par ailleurs, le travail encourage les futures études expérimentales de la physique non hermitienne, y compris le regroupement des EP et la création d'EP d'ordre supérieur dans un système quantique macroscopique.

L'étude Modes chiraux aux points exceptionnels dans les fluides quantiques excitons-polaritons a été publiée dans Lettres d'examen physique en février 2018.