Des chercheurs de Skoltech et de l'Université de Cambridge ont montré que les polaritons, les particules bizarres qui pourraient finir par faire fonctionner les supercalculateurs quantiques du futur, peuvent former des structures se comportant comme des molécules - et ces « molécules artificielles » peuvent potentiellement être conçues à la demande. L'article décrivant ces résultats a été publié dans la revue Examen physique B .

Les polaritons sont des particules quantiques constituées d'un photon et d'un exciton, une autre quasiparticule, marier la lumière et la matière dans une curieuse union qui ouvre une multitude de possibilités dans les appareils polaritoniques de nouvelle génération. Alexandre Johnston, Kirill Kalinin et Natalia Berloff, professeur au Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials et University of Cambridge, ont montré que des condensats de polaritons couplés géométriquement, qui apparaissent dans les dispositifs semi-conducteurs, sont capables de simuler des molécules aux propriétés diverses.

Les molécules ordinaires sont des groupes d'atomes liés par des liaisons moléculaires, et leurs propriétés physiques diffèrent radicalement de celles de leurs atomes constitutifs :considérons la molécule d'eau, H2O, et l'hydrogène et l'oxygène élémentaires. « Dans notre travail, nous montrons que des amas de condensats polaritoniques et photoniques en interaction peuvent former une gamme d'entités exotiques et entièrement distinctes — des « molécules » — qui peuvent être manipulées artificiellement. Ces "molécules artificielles" possèdent de nouveaux états énergétiques, propriétés optiques, et les modes vibrationnels de ceux des condensats les comprenant, " Johnston, du Département de Mathématiques Appliquées et de Physique Théorique de l'Université de Cambridge, explique.

Lorsque les chercheurs effectuaient des simulations numériques de deux, Trois, et quatre condensats de polaritons en interaction, ils ont remarqué de curieux états stationnaires asymétriques dans lesquels tous les condensats n'ont pas la même densité dans leur état fondamental. « Après une enquête plus approfondie, nous avons constaté que ces états se présentaient sous une grande variété de formes différentes, qui pourrait être contrôlé en manipulant certains paramètres physiques du système. Cela nous a conduit à proposer des phénomènes tels que les "molécules de polaritons artificielles" et à étudier leurs utilisations potentielles dans les systèmes d'information quantique, " dit Johnston.

En particulier, l'équipe s'est concentrée sur une « dyade asymétrique, " qui se compose de deux condensats en interaction avec des occupations inégales. Lorsque deux de ces dyades sont combinées en une structure tétrade, ce dernier est, en quelques sortes, analogue à une molécule homonucléaire, par exemple, à l'hydrogène moléculaire H2. Par ailleurs, les molécules de polaritons artificiels peuvent également former des structures plus élaborées, qui pourraient être considérés comme des « composés de polaritons artificiels ».

« Rien n'empêche de créer des structures plus complexes. En effet, dans notre travail, nous avons constaté qu'il existe un large éventail d'exotiques, états asymétriques possibles dans les configurations tétrades. Dans certains d'entre eux, tous les condensats ont des densités différentes (bien que tous les couplages soient de force égale), invitant une analogie avec les composés chimiques, " note Alexander Johnston.

Dans des structures tétrades spécifiques, chaque dyade asymétrique peut être considérée comme un "spin" individuel, " défini par l'orientation de l'asymétrie de densité. Ceci a des conséquences intéressantes pour les degrés de liberté du système (les paramètres physiques indépendants nécessaires pour définir des états); les "spins" introduisent un degré de liberté discret, en plus des degrés de liberté continus donnés par les phases de condensat.

L'orientation relative de chacune des dyades peut être contrôlée en faisant varier la force de couplage entre elles. Étant donné que les systèmes d'information quantique peuvent potentiellement avoir une précision et une efficacité accrues s'ils utilisent une sorte de système hybride discret-continu, l'équipe a donc proposé cette structure tétrade hybride comme base potentielle pour un tel système.

"En outre, nous avons découvert une pléthore d'états asymétriques exotiques dans les systèmes de triades et de tétrades. Il est possible de passer en douceur entre de tels états simplement en faisant varier la force de pompage utilisée pour former les condensats. Cette propriété suggère que de tels états pourraient former la base d'un système logique polaritonique multivalué, ce qui pourrait permettre le développement de dispositifs polaritoniques qui dissipent nettement moins de puissance que les méthodes traditionnelles et, potentiellement, opérer des ordres de grandeur plus rapidement, " dit le professeur Berloff.