Los fluidos cuánticos de luz generados ópticamente revelan estados exóticos de ondas de materia

Rejilla dispersora Lieb de condensados de polariton. Crédito: S. Alyatkin, et al. DOI: 10.1038/s41467-021-25845-4

Investigadores de Skoltech y la Universidad de Southampton, Reino Unido, utilizaron métodos totalmente ópticos para crear una red artificial cuyos nodos albergan polaritones, cuasipartículas que son excitaciones de media luz y media materia en semiconductores.

Esta llamada red de Lieb, que generalmente no ocurre en la naturaleza, permitió al equipo demostrar resultados importantes para la física de la materia condensada.

Desde la perspectiva de las aplicaciones, la celosía de polaritón generada por láser, informada en Nature Communications, se puede utilizar para el diseño de dispositivos de próxima generación como computadoras ópticas que dependen de la gestión de la dispersión y la luz guiada.

En el régimen de acoplamiento fuerte de luz-materia, las excitaciones electrónicas en un semiconductor colocado entre dos espejos que forman una microcavidad se ven fuertemente influenciadas por los fotones atrapados en su interior.

Esto da lugar a nuevos modos cuánticos llamados excitones-polaritones, o simplemente polaritones para abreviar.

Estos permiten el estudio de fenómenos fotónicos y de ondas de materia híbridas a microescala.

En las condiciones adecuadas, los polaritones pueden formar estados coherentes de materia de muchos cuerpos similares a los condensados ​​de Bose-Einstein, proporcionando acceso a dinámicas no lineales disipativas exóticas.

Los investigadores decidieron explorar cómo se comportan estos condensados ​​en redes ópticas artificiales que normalmente no se encuentran en la naturaleza.

Para esto, utilizaron un modulador de luz espacial programable para dar forma a un rayo láser en una celosía dentro de la cavidad, no muy diferente de las tapas de los punteros láser para proyectar patrones de fantasía en superficies distantes.

Los polaritones generados aumentaron en número y se volvieron más energéticos donde el campo láser era más intenso.

Con una potencia láser lo suficientemente alta, los polaritones comenzaron a formar condensados ​​que residían en los máximos potenciales de la red.

En este llamado régimen balístico, las ondas de polaritón de alta energía que escapan de los condensados ​​se dispersan y difractan a través de la red.

Los investigadores observaron que cuando la constante de la red se redujo, los condensados ​​experimentaron una transición de fase del régimen balístico al caso opuesto de condensados ​​profundamente atrapados que ahora residen en los mínimos potenciales de la red.

Con constantes de celosía intermedias, el sistema parecía incapaz de “decidir” si las ondas de polaritón debían deslocalizarse o localizarse y, en cambio, los condensados ​​se fracturaban a través de múltiples energías.

Nunca antes se había observado una transición de este tipo en redes de polariton.

Luego, los investigadores demostraron que podían producir una de las características más exóticas de la física del estado sólido: bandas de cristal completamente sin dispersión, también conocidas como bandas planas, donde la masa de partículas se vuelve efectivamente infinita.

Para ello diseñaron una celosía óptica Lieb, que no se encuentra convencionalmente en la naturaleza, que se sabe que posee bandas planas.

El estudio reportado en esta historia fue escrito en coautoría por jóvenes investigadores del Laboratorio de Fotónica Híbrida dirigido por el profesor Pavlos Lagoudakis, quien brindó el siguiente comentario sobre los hallazgos del equipo: “Nuestro laboratorio ha desarrollado una gran experiencia en redes ópticas de condensados ​​de polaritón, y con este trabajo hemos dado un gran paso hacia adelante. Estos resultados serán de gran interés para una amplia comunidad científica que abarca la óptica no lineal, la física de la materia condensada, los átomos fríos, la física de la materia ligera y la polaritónica. Esta es la primera demostración de fases no triviales de la materia y la ingeniería de banda plana en redes de polaritones generadas ópticamente. Anteriormente, los estados de banda plana en sistemas de polaritón solo se mostraban en estructuras escritas litográficamente “.

El primer autor del artículo, el físico experimental Dr. Sergey Alyatkin de Skoltech, y su colega, el físico teórico Dr. Helgi Sigurdsson de la Universidad de Southampton, agregaron: “Nuestro trabajo es una demostración muy agradable de los avances en el control óptico y la riqueza en el campo de la polaritónica. Cuanto más estudiamos los polaritones de las microcavidades en las redes, más interesantes son los efectos que observamos. Nuestros últimos resultados han abierto una ruta hacia la física inexplorada de mezclas reticulares no estacionarias de cuasipartículas de ondas de materia, y no nos estamos limitando a un tipo específico de rejilla”.

Referencia: “Quantum fluids of light in all-optical scatterer lattices” by S. Alyatkin, H. Sigurdsson, A. Askitopoulos, J. D. Töpfer and P. G. Lagoudakis, 22 September 2021, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-021-25845-4

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