Экситон-поляритонами научились управлять при помощи кристаллических решеток и лазера — Naked Science
Сколтех

Экситон-поляритонами научились управлять при помощи кристаллических решеток и лазера

4.1

Исследователи из Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха и Саутгемптонского, а также Ланкастерского университетов 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.

Экситон-поляритонами научились управлять при помощи кристаллических решеток и лазера / ©http://xn--80akfo2a.xn--p1ai/

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, Великобритания), д-р Хельги Сигурдссон (Саутгемптонский университет и Сколтех), профессор Янне Руостекоски (Ланкастерский университет, Великобритания) и профессор Павлос Лагудакис (Сколтех и Саутгемптонский университет).

Логарифмические цветовые карты, показывающие распределение фотолюминесценции в реальном пространстве / ©www.nature.com

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, которые 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, доктор Пикап.

«Это весьма впечатляющий результат для такой относительно новой области, как неэрмитовая топологическая физика», – добавляет доктор 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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

Вчера, 21:04
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Позавчера, 11:36
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

Вчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

Вчера, 21:04
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Позавчера, 11:36
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

Вчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: