Исследователи из Сколтеха и Саутгемптонского университета продемонстрировали полностью оптический метод создания искусственных решеток, в узлах которых расположены экситон-поляритоны — квазичастицы в полупроводниках, состоящие одновременно из света и материи. Так называемая решетка Либа, которая обычно не встречается в природе, позволила коллективу провести ряд значимых наблюдений в области физики конденсированного состояния. Что касается возможного практического применения, то созданные с помощью лазерного излучения искусственные решетки квазичастиц могут быть использованы для разработки устройств нового поколения, таких как оптические вычислители, требующие прецизионного контроля над параметрами системы.
В так называемом режиме сильного взаимодействия света с веществом электронные возбуждения в полупроводнике, расположенном в микрорезонаторе, состоящем их двух зеркал, оказываются неразрывно связанными с локализованными фотонами внутри микрорезонатора. В результате возникают новые квантовые состояния — экситон-поляритоны, или, для краткости, поляритоны. С помощью последних можно исследовать уникальные гибридные системы «материя — волна», а также иные явления в фотонных системах на микромасштабе. При определенных условиях поляритоны могут образовывать когерентные многочастичные состояния материи, подобные конденсатам Бозе — Эйнштейна (реализованным на ультрахолодных атомах), обеспечивая возможность для исследования нелинейной динамики в системах с диссипацией энергии.
Ученые решили выяснить, каким образом конденсаты ведут себя в искусственных оптических решетках Либа. Такие решетках нетипичны для природы, однако представляют огромный интерес для фундаментальный науки. Исследователи использовали программируемый пространственный модулятор света, позволяющий создать оптическую решетку желаемой геометрии и спроецировать ее изображение на поверхность полупроводникового образца. В областях, где лазерное излучение было наиболее интенсивным, наблюдалось увеличение не только количества генерируемых поляритонов, но и их энергии. При достаточно высокой мощности лазерного излучения поляритоны начинали конденсироваться на максимумах создаваемого лазером «потенциального ландшафта», то есть в узлах решетки. При таком «баллистическом» режиме распространения поляритонов, последние с высокой энергией быстро покидают область конденсации, рассеиваясь и дифрагируя на решетке.
По наблюдениям ученых, при уменьшении периода решетки происходил фазовый переход системы конденсатов от баллистического режима к обратному режиму, при котором захваченные в ловушку поляритоны конденсировались в потенциальных минимумах в решетке. При промежуточных значениях периода решетки искусственно созданная система не могла «определиться» между локализацией и делокализацией поляритонных волн, а сконденсировавшиеся поляритоны распадались на состояния с разным уровнем энергии. Такой переход в поляритонных решетках никогда ранее не наблюдался.
Затем ученые продемонстрировали возможность получения необычного для физики твердого тела явления — полностью бездисперсионных состояний квазичастиц, или плоских зон, в которых с формальной стороны поляритоны обладают фактически бесконечной массой.
В числе соавторов опубликованного исследования — молодые исследователи из лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса, который так прокомментировал полученные результаты: «Наша лаборатория накопила большой опыт исследования оптических решеток с конденсатами поляритонов. Данное исследование — еще один шаг в этом направлении. Полученные результаты представляют большой интерес для широкого сообщества ученых, занимающихся проблемами нелинейной оптики, физики конденсированного состояния, холодных атомов и поляритоники. Нам впервые удалось продемонстрировать существование нетривиальных фаз материи и способов создания так называемых плоских зон в оптически генерируемых поляритонных решетках. Ранее такие состояния с плоскими зонами в поляритонных системах наблюдались только в структурах, создаваемых методами литографии».
Первый автор статьи, экспериментатор, сотрудник Сколтеха к.ф.-м.н. Сергей Аляткин и его коллега, физик-теоретик д-р Хелги Сигурдссон из Саутгемптонского университета добавляют: «Наша работа — наглядная демонстрация достижений в области оптического контроля над системой и широких возможностей поляритоники. Чем больше мы изучаем поляритоны в решетках в микрорезонаторах, тем более интересные эффекты мы наблюдаем. Наши последние результаты открывают новые возможности для исследования неизученной области — физики нестационарных систем с гибридными квазичастицами, и мы не намерены ограничиваться в нашей работе конкретным типом исследуемой системы».