Исследователи из Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха и одноименной лаборатории Саутгемптонского университета (Великобритания) в сотрудничестве с учеными из Ланкастерского университета (Великобритания) продемонстрировали новый оптический метод, позволяющий синтезировать искусственные твердотельные кристаллические структуры для экситон-поляритонов в микрорезонаторе, используя лишь лазерное излучение. Полученные результаты могут стать основой для реализации программируемых схем на базе поляритонов, разработки новых стратегий создания управляемого оптического излучения, а также методов создания надежных пространственно-локализованных когерентных источников света. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Создавая искусственные решетки для квантовых частиц, можно исследовать физические процессы в условиях, которые не всегда можно встретить в природе. Интересной особенностью искусственных решеток является их симметрия, позволяющая во многих случаях получать точно решаемые модели с понятными свойствами. Однако создание искусственных решеток – непростая задача, требующая соблюдения ряда ограничений и условий. Во-первых, используемые материалы должны быть заранее подготовлены в окончательном виде, так как изменять (дорабатывать) их в процессе создания решетки не представляется возможным. Во-вторых, создание решетки произвольной формы невозможно даже при помощи технологий создания оптических решеток для холодных атомов.
За решение этой сложной задачи взялась международная команда исследователей, в состав которой вошли Люси Пикап (Саутгемптонский университет), д-р Хельги Сигурдссон (Саутгемптонский университет и Сколтех), профессор Янне Руостекоски (Ланкастерский университет) и профессор Павлос Лагудакис (Сколтех и Саутгемптонский университет). И решение было найдено: ученые разработали новый метод, позволяющий создавать программируемые искусственные решетки произвольной формы, используя для этой цели только структурированное лазерное излучение. В данном случае под программированием имеется в виду возможность перестройки системы экситон-поляритонов с одной решетки на другую без необходимости создания новой дорогостоящей системы с нуля.
При попадании лазерного излучения в полупроводниковую квантовую яму происходит возбуждение многочисленных электронов и дырок, а также связанных состояний между ними, именуемых экситонами. Если разместить квантовую яму между двумя зеркалами, образуется резонатор для фотонов. В результате, у некоторых экситонов появляется оболочка из фотонов, и образуются новые экзотические квазичастицы, состоящие наполовину из вещества и наполовину из света. Такие частицы называют экситон-поляритонами.
Экситон-поляритоны отличаются высокой активностью и способны взаимодействовать не только друг с другом, но и с окружающими их электронами, дырками и экситонами. Исследователям удалось показать, что при использовании геометрически структурированного лазерного излучения экситон-поляритоны начинают отталкиваться от возбужденных электронов, дырок и экситонов, котрые повторяют геометрию возбуждения или, иначе говоря, поляритоны движутся в рамках искусственно сформированного лазером ландшафта.
Создаваемый лазером потенциал влияет только на экситон-поляритоны и не воздействует на фотоны внутри резонатора – в этом заключается принципиальное отличие данной системы от систем на фотонных кристаллах. Создав лазерную маску с трансляционной симметрией, исследователи воспроизвели фундаментальный признак твердотельных систем, а именно образование энергетических зон в кристаллах в случае экситон-поляритонов подобно тому, как это происходит в случае электронов в твердотельных материалах.
«Результаты этой работы открывают возможности для дальнейших исследований в области квантовой физики, в частности, для изучения диссипативных систем многих тел с использованием решеток, обладающих свойствами, которые невозможно воспроизвести в эрмитовых квантовых системах», – отмечает один из авторов статьи, д-р Пикап.
«Это весьма впечатляющий результат для такой относительно новой области, как неэрмитова топологическая физика» – добавляет д-р Сигурдссон.
Чтобы изменить структуру энергетических зон, достаточно лишь соответствующим образом настроить лазерную маску, что позволит неинвазивным способом управлять квантовыми состояниями в искусственных решетках. Полученные результаты могут найти применение в различных приложениях – от систем оптической связи и обработки информации до высокочувствительных биомедицинских детекторов и систем генерации оптического излучения с топологической защитой. Результаты исследования также открывают новые возможности для изучения фундаментальных вопросов физики применительно к решеткам многих тел в открытой (неэрмитовой) квантовой среде.
