激光网3月27日消息，科学家们通过稳定半导体光子光栅中的激子-极化激元来推进该领域，从而实现了适用于复杂系统仿真的长寿命和光学可配置的量子流体。
来自莱切CNR Nanotec和华沙大学物理学院的研究人员使用新一代半导体光子光栅对量子光滴的复合物进行光学定制，这些光滴结合在一起形成宏观相干态。该研究支持了一种新方法，该方法使用光学以高度可重构的方式模拟和探索人造原子之间的相互作用。研究结果已发表在著名期刊《自然物理学》上。
研究人员经常使用凝聚态系统和光子技术来创建微尺度平台，这些平台可以在更易于访问的环境中模拟许多相互作用的量子粒子的复杂动力学。一些例子包括光学晶格、超导阵列以及光子晶体和波导中的超冷原子系综。2006年，出现了一个新的平台，展示了激子-极化激元的宏观相干量子流体，通过光学技术探索多体量子现象。
当一块半导体被放置在两个镜子之间时，内部的电子激发会受到被困在镜子之间的光子的强烈影响。由此产生的新的玻色子量子粒子，称为激子-极化激元元，在适当的情况下可以发生相变，变成非平衡玻色-爱因斯坦凝聚态，并形成宏观量子流体或光滴。极化激元的量子流体具有许多显着特性，其中之一是它们在光学上是可配置和可读的，可以轻松测量极化激元动力学。这就是它们对模拟多体物理如此有利的原因。
极化激元冷凝水必须用外部激光连续光学泵浦以补充颗粒，否则冷凝水会在皮秒内消散。然而，由于排斥粒子间力，冷凝水的泵送力越大，它就越有能量，导致粒子逃逸冷凝水并随后衰减空间相关性。这是光学可编程极化激元模拟器的一个基本问题。科学家们需要想出一种方法，使冷凝水更稳定、更持久，同时仍然被光学泵送。
来自莱切CNR Nanotec和华沙大学物理学院的科学家使用新一代半导体光子光栅实现了这一目标。在他们发表在《自然物理学》上的题为“连续体中束缚态的可重构量子流体分子”的论文中，他们利用光子光栅的亚波长特性为极化激元注入了新的特性。首先，极化激元可以被驱动凝聚成一种超长寿命状态，称为连续体中的束缚态。BIC的迷人之处在于，由于对称性强制保护免受光子模式外部连续体的影响，它们大多是非辐射的。其次，由于来自光栅的色散关系，极化激元获得了负的有效质量。这意味着泵浦的极化激元不能再那么容易地通过正常的衰变通道逃逸了。现在，研究人员拥有极化激元流体，这些流体的寿命非常长，并且仅使用光学技术即可安全限制。
这些机制结合在一起，使莱切CNR Nanotec的Antonio Gianfrate和Danielle Sanvitto能够光学泵送多个极化激元液滴，这些液滴可以相互作用并杂化成宏观复合物。他们可以使用这种新形式的人造原子来定制和可逆地配置分子排列和链：负质量BIC极化激元的凝聚物。BIC特性为极化激元提供了更长的寿命，而负质量特性导致它们被光学捕获。这些发现得到了华沙大学、德国锡根大学和法国里昂大学之间开发的BIC狄拉克极化激元理论的支持。
该平台的最终优势在于，人工量子复合物可以进行全光学编程，但由于它们不受连续体的影响，它们保留了非常高的寿命。这可能会导致对光学可编程大规模量子流体的新冒险，该流体由前所未有的相干尺度和稳定性定义，用于结构化非线性激光和基于偏化激元的复杂系统模拟。
“在这个人工极化狄拉克系统中，仍然有几种有趣的探索方法。例如，沿光栅方向和垂直于光栅方向的极化激元液滴之间的耦合机制非常不同。沿着波导，极化激元实际上是与泵浦点紧密结合的负质量粒子。它们垂直于波导，作为正质量粒子进行弹道传输。这两种机制的混合为研究结构极化激元量子流体中同步和模式形成的涌现行为打开了一扇新窗口，“华沙大学物理学院的Helgi Sigurðsson总结道。
