Un groupe de scientifiques Skoltech, en collaboration avec des collègues de l'Université de Southampton (Royaume-Uni), développé une approche entièrement optique pour contrôler les couplages entre les condensats de polaritons dans les réseaux optiques. Cette étude est une étape importante vers l'application pratique des réseaux optiques de condensats de polaritons comme plate-forme pour simuler les phases de la matière condensée. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique , où le papier figurait sur la couverture.

Au cours de ses trois années d'existence, le Laboratoire de Photonique Hybride du Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials et son équipe de jeunes chercheurs, travaillant sous la direction du professeur Pavlos Lagoudakis, a poussé l'état de l'art dans le domaine de la polaritonique des excitons. Leur démonstration récente de condensats de polaritons couplés de manière cohérente a notamment été proposée comme nouvelle plate-forme de simulateur [1, 2]. Cette technologie utilise un motif d'excitation laser élaboré pour générer des graphiques de polaritons de haute complexité de manière hautement évolutive, avec jusqu'à un millier de condensats actuellement réalisables. Quelle que soit la plateforme technologique utilisée, et si ses nœuds sont des condensats de polaritons, atomes piégés à froid ou qubits supraconducteurs, la possibilité d'ajuster les couplages entre les nœuds voisins les plus proches et les plus proches est une étape essentielle pour simuler les phases de la matière condensée. Comme le couplage entre les condensats de polaritons était prédéfini par la géométrie d'excitation laser et le vecteur d'onde de polaritons, contrôler le couplage entre les nœuds d'une géométrie en treillis fixe restait insaisissable.

Pour relever ce défi technologique, les chercheurs ont suggéré d'utiliser un autre motif laser plus faible pour former des réservoirs d'excitons incohérents qui agiraient comme des barrières potentielles optiquement imprimées. Dans une expérience, ils ont démontré que l'introduction d'une telle barrière de hauteur variable entre les nœuds change la phase du signal de condensat transmis de manière précise et contrôlée, changeant finalement le signe du couplage complexe. Dans ce travail, Les chercheurs de Skoltech ont démontré ferromagnétique, phases antiferromagnétiques et ferromagnétiques appariées dans un cluster de polaritons jusqu'à 4×4 condensats.

Chercheur Skoltech et premier auteur, Dr Sergueï Alyatkine, note :« Ces résultats ont été obtenus grâce au travail acharné et coordonné de notre équipe, ce qui nous a permis de créer d'abord une configuration expérimentale unique et de l'utiliser pour obtenir ces résultats passionnants. Avec nos collègues de Southampton, nous avons développé un moyen de contrôler très précisément le profil spatial d'excitation, ce qui nous permet d'imprimer des réseaux optiques de condensats de polaritons dans presque toutes les géométries arbitraires. Nous avons également mis en œuvre une technique d'interférométrie homodyne pour la lecture in-situ des phases relatives des nœuds du réseau, ce qui nous permet de projeter un spin classique (de +1 à -1) pour chaque nœud correspondant."

Alexis Askitopoulos, chercheur senior des Hybrid Photonics Labs et co-auteur, ajoute :"Nos résultats montrent que nous pouvons régler le voisin le plus proche et les interactions du prochain voisin le plus proche dans notre réseau de polaritons. En fait, cela nous donne le contrôle de certains des éléments non diagonaux du hamiltonien de notre système, augmenter considérablement le nombre de configurations pouvant être simulées avec notre plateforme, ainsi que d'ouvrir des possibilités de mise en œuvre de processus et d'algorithmes d'apprentissage automatique."

Le résultat d'un va-et-vient constant de personnes, échantillons et idées entre Skoltech et l'Université de Southampton, cet article à fort impact sert également de rappel de l'importance des collaborations internationales dans le milieu universitaire. En ces jours d'auto-isolement, les groupes russe et britannique restent en contact étroit à travers un séminaire en ligne hebdomadaire, où ils discutent des progrès actuels et proposent de nouvelles façons de pousser leurs recherches plus loin.

Les auteurs sont convaincus que les résultats de leurs recherches seront d'un grand intérêt non seulement pour les spécialistes travaillant dans le domaine de la polaritonique, mais aussi à la communauté mondiale plus large de la photonique et de l'informatique optique. L'extrême précision du contrôle de la phase relative entre les nœuds, avec la facilité, évolutivité et accordabilité de sa mise en œuvre entièrement optique, est censé faire de ce développement une étape critique dans le développement de simulateurs de polaritons haute performance, qui pourrait un jour libérer toute la puissance de l'informatique optique.