Des chercheurs des Hybrid Photonics Laboratories à Skoltech et Southampton (Royaume-Uni), en collaboration avec l'Université de Lancaster (Royaume-Uni), ont démontré une nouvelle méthode optique pour synthétiser des structures cristallines artificielles à l'état solide pour des polaritons de cavité en utilisant uniquement la lumière laser. Les résultats pourraient conduire à la réalisation de circuits de polaritons programmables sur le terrain et à de nouvelles stratégies pour créer une lumière guidée et un confinement robuste de sources lumineuses cohérentes. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Communication Nature .

La création de réseaux artificiels pour les particules quantiques permet aux chercheurs d'explorer la physique dans un environnement qui pourrait ne pas être classiquement trouvé dans la nature. Les réseaux artificiels sont particulièrement attrayants car leurs symétries conduisent souvent à des modèles exactement solubles et à une compréhension transparente de leurs propriétés. les concevoir, cependant, est une tâche difficile avec une flexibilité limitée. Les matériaux doivent être conçus de manière irréversible pour faire le travail, et même les techniques de réseau optique pour les atomes froids ne peuvent pas produire des formes de réseau arbitraires.

Les chercheurs, Dr Lucy Pickup (Southampton), Dr Helgi Sigurdsson (Southampton et Skoltech), Pr Janne Ruostekoski (Lancaster), et Prof Pavlos Lagoudakis (Skoltech et Southampton), a surmonté ce défi en développant une nouvelle méthode pour créer des réseaux artificiels de forme arbitraire et reprogrammables en utilisant uniquement une lumière laser structurée. La reprogrammabilité signifiait que le système cavité-polariton pouvait être modifié d'un réseau à un autre sans avoir à concevoir un nouveau système à partir de zéro.

Lorsque la lumière laser frappe un puits quantique semi-conducteur, il excite les électrons et les trous, ainsi que les états liés des deux appelés excitons. Lorsque le puits quantique est placé entre deux miroirs, former un piège (ou une cavité) pour les photons, certaines particules d'excitons s'habillent de photons, formant une pénombre exotique, des quasiparticules de demi-matière appelées polaritons d'excitons ou polaritons de cavité.

Les polaritons excitons sont interactifs et rebondissent fréquemment les uns sur les autres. Cependant, ils rebondissent également sur des électrons normaux, trous et excitons en arrière-plan. Les chercheurs ont montré qu'en appliquant la lumière laser d'une manière géométriquement structurée, les excitons-polaritons ont commencé à rebondir des électrons excités, des trous, et des excitons suivant la forme du laser. En d'autres termes, les excitons-polaritons ont commencé à expérimenter un paysage potentiel synthétique imprimé par le laser.

Les paysages potentiels générés par le laser ne sont ressentis que par les excitons-polaritons et non par les photons à l'intérieur de la cavité, distinguer le système des cristaux photoniques. En créant un motif laser à symétrie de translation, les chercheurs ont produit la signature fondamentale des systèmes à l'état solide, la formation de bandes d'énergie cristallines pour les excitons-polaritons comme celles des électrons dans les matériaux à l'état solide.

"Les résultats ouvrent la voie à l'étude de la physique quantique dissipative à plusieurs corps dans un environnement en réseau avec des propriétés qui ne peuvent pas être reproduites dans les systèmes quantiques hermitiens normaux, " Dr Lucy Pickup, co-auteur de l'article, dit.

Le Dr Helgi Sigurdsson ajoute :« C'est un développement passionnant pour le domaine relativement nouveau de la physique topologique non hermitienne.

Les bandes produites pourraient être reconfigurées en ajustant simplement le motif laser, permettant une méthode non invasive pour accéder à la physique quantique dans les réseaux artificiels. Les résultats pourraient être utiles dans une variété d'applications, y compris les communications optiques, traitement d'informations, détecteurs à haute sensibilité à des fins biomédicales et laser à protection topologique. Les résultats ouvrent également la voie à l'étude de la physique fondamentale des réseaux à N corps dans un environnement quantique ouvert (non hermitien).