Une collaboration de recherche internationale de Pologne, le Royaume-Uni et la Russie ont créé un système bidimensionnel - une cavité optique mince remplie de cristaux liquides - dans lequel ils ont piégé des photons. Comme les propriétés de la cavité ont été modifiées par une tension externe, les photons se sont comportés comme des quasiparticules massives dotées d'un moment magnétique, appelé "tourner, " sous l'influence d'un champ magnétique artificiel. La recherche a été publiée dans Science vendredi, 8 novembre 2019.

Le monde qui nous entoure a une dimension temporelle et trois dimensions spatiales. Les physiciens qui étudient la matière condensée traitent depuis longtemps de systèmes de dimensionnalité inférieure - puits quantiques bidimensionnels (2D), des fils quantiques à une dimension (1-D) et des points quantiques à zéro dimension (0-D). Les systèmes 2-D ont trouvé les applications techniques les plus larges - c'est grâce aux dimensions réduites que les LED et les diodes laser efficaces, transistors rapides dans les circuits intégrés, et les amplificateurs radio WiFi fonctionnent. Les électrons piégés en deux dimensions peuvent se comporter complètement différemment des électrons libres. Par exemple, en graphène, une structure carbonée bidimensionnelle à symétrie en nid d'abeille, les électrons se comportent comme des objets sans masse, c'est-à-dire des particules lumineuses appelées photons.

Les électrons d'un cristal interagissent entre eux et avec le réseau cristallin, créer un système complexe dont la description est possible grâce à l'introduction de la notion de quasi-particules. Propriétés de ces quasiparticules, y compris la charge électrique, moment et masse magnétique, dépendent de la symétrie du cristal et de sa dimension spatiale. Les physiciens peuvent créer des matériaux aux dimensions réduites, découvrir des "quasi-univers" remplis de quasi-particules exotiques. L'électron sans masse dans le graphène bidimensionnel en est un exemple.

Ces découvertes ont inspiré des chercheurs de l'Université de Varsovie, l'Université militaire polonaise de technologie, l'Institut de physique de l'Académie polonaise des sciences, l'Université de Southampton et l'Institut Skolkovo près de Moscou, pour étudier la lumière piégée dans des structures bidimensionnelles, les cavités optiques.

Les auteurs de la Science papier a créé une cavité optique dans laquelle ils ont piégé des photons entre deux miroirs. L'idée originale était de remplir la cavité d'un matériau à cristaux liquides qui agit comme un support optique. Sous l'influence d'une tension externe, les molécules de ce milieu peuvent tourner et modifier la longueur du chemin optique. À cause de ce, il était possible de créer des ondes lumineuses stationnaires dans la cavité, dont l'énergie (fréquence des vibrations) était différente lorsque le champ électrique de l'onde (polarisation) était dirigé à travers les molécules et différente pour la polarisation le long de leur axe (ce phénomène est appelé anisotropie optique).

Au cours de la recherche, menée à l'Université de Varsovie, le comportement unique des photons piégés dans la cavité a été découvert car ils se comportaient comme des quasi-particules massives. De telles quasiparticules ont déjà été observées, mais ils étaient difficiles à manipuler car la lumière ne réagit pas aux champs électriques ou magnétiques. Cette fois, il a été noté que lorsque l'anisotropie optique du matériau à cristaux liquides dans la cavité était modifiée, les photons piégés se sont comportés comme des quasiparticules dotées d'un moment magnétique, ou un "spin" dans un "champ magnétique artificiel". La polarisation de l'onde électromagnétique a joué le rôle de "spin" pour la lumière dans la cavité. Le comportement de la lumière dans ce système est plus facile à expliquer en utilisant l'analogie du comportement des électrons dans la matière condensée.

Les équations décrivant le mouvement des photons piégés dans la cavité ressemblent aux équations du mouvement des électrons avec le spin. Par conséquent, il a été possible de construire un système photonique qui imite parfaitement les propriétés électroniques et conduit à de nombreux effets physiques surprenants tels que les états topologiques de la lumière.

La découverte de nouveaux phénomènes liés au piégeage de la lumière dans des cavités optiquement anisotropes peut permettre la mise en œuvre de nouveaux dispositifs optoélectroniques, par exemple. réseaux de neurones optiques et effectuer des calculs neuromorphiques. La perspective de créer un état quantique unique de la matière est particulièrement prometteuse :le condensat de Bose Einstein. Un tel condensat peut être utilisé pour des calculs et des simulations quantiques, résoudre des problèmes trop difficiles pour les ordinateurs modernes. Les phénomènes étudiés ouvriront de nouvelles possibilités de solutions techniques et de nouvelles découvertes scientifiques.