La ricerca nel campo della fisica quantistica ha compiuto un passo avanti significativo grazie al lavoro di un gruppo di scienziati che sono riusciti a stabilizzare gli ecciton-polaritoni all’interno di reticoli fotonici semiconduttori. Questi fluidi quantici, configurabili otticamente e dalla lunga durata, si prestano a simulazioni di sistemi complessi in modo innovativo e altamente riconfigurabile.
Il team di ricerca, composto da membri del CNR Nanotec di Lecce e della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, ha utilizzato una nuova generazione di reticoli fotonici semiconduttori per modellare otticamente complessi di gocce quantistiche di luce, legandole insieme in stati coerenti macroscopici. Questo studio getta le basi per un nuovo metodo di simulazione e esplorazione delle interazioni tra atomi artificiali, utilizzando la tecnologia ottica. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Physics.
I sistemi di materia condensata e le tecnologie fotoniche sono regolarmente impiegati dai ricercatori per creare piattaforme microscopiche che possano simulare la complessa dinamica di molte particelle quantistiche interagenti in un contesto più accessibile. Alcuni esempi includono insiemi atomici ultrafreddi in reticoli ottici, array superconduttori e cristalli fotonici e guide d’onda. Nel 2006 è emersa una nuova piattaforma con la dimostrazione di fluidi quantici macroscopicamente coerenti di ecciton-polaritoni per esplorare fenomeni quantistici a molti corpi attraverso tecniche ottiche.
Quando un pezzo di semiconduttore viene posizionato tra due specchi, ovvero un microresonatore ottico, le eccitazioni elettroniche al suo interno possono essere fortemente influenzate dai fotoni intrappolati tra gli specchi. I nuovi particolari quantici bosonici risultanti, noti come ecciton-polaritoni (o polaritoni, in breve), possono, sotto determinate condizioni, subire una transizione di fase in un condensato di Bose-Einstein fuori equilibrio e formare un fluido quantico macroscopico o una goccia di luce. I fluidi quantici di polaritoni presentano molte proprietà rilevanti, una delle quali è che sono configurabili e leggibili otticamente, permettendo misurazioni semplici della dinamica dei polaritoni. Questo è ciò che li rende così vantaggiosi per simulare la fisica a molti corpi.
I condensati di polaritoni devono essere continuamente pompati otticamente con laser esterni per rifornire le particelle, altrimenti il condensato si dissipa in pochi picosecondi. Tuttavia, più si pompa energicamente il condensato, più esso diventa energetico a causa delle forze repulsive interparticellari, portando alla fuga delle particelle dal condensato e al conseguente decadimento delle correlazioni spaziali. Questo è un problema fondamentale per i simulatori di polaritoni programmabili otticamente. Gli scienziati avevano bisogno di trovare un modo per rendere il condensato più stabile e a lunga durata, pur mantenendo il pompaggio ottico.
Gli scienziati del CNR Nanotec di Lecce e della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando una nuova generazione di reticoli fotonici semiconduttori. Nel loro articolo intitolato “Reconfigurable quantum fluid molecules of bound states in the continuum”, pubblicato su Nature Physics, hanno sfruttato le proprietà sublunghezza d’onda del reticolo fotonico per conferire ai polaritoni nuove proprietà. Innanzitutto, i polaritoni potevano essere indotti a condensare in uno stato ultralungo noto come stato legato nel continuo (BIC). La cosa affascinante dei BIC è che sono per lo più non radiativi a causa della protezione imposta dalla simmetria dal continuo esterno di modi fotonici. In secondo luogo, i polaritoni hanno ottenuto una massa efficace negativa a causa della relazione di dispersione derivante dal reticolo. Questo significava che i polaritoni pompati non potevano più sfuggire facilmente attraverso i normali canali di decadimento. Ora, i ricercatori possedevano fluidi di polaritoni che erano sia estremamente a lunga durata che sicuramente confinati utilizzando solo tecniche ottiche.
Combinati, questi meccanismi hanno permesso ad Antonio Gianfrate e Danielle Sanvitto del CNR Nanotec di Lecce di pompare otticamente più gocce di polaritoni che potevano interagire e ibridarsi in complessi macroscopici. Potevano modellare e configurare reversibilmente disposizioni molecolari e catene utilizzando questa nuova forma di atomi artificiali: condensati di polaritoni BIC a massa negativa. La proprietà BIC forniva ai polaritoni una durata molto più lunga, mentre la proprietà della massa negativa li faceva diventare otticamente intrappolati. Le scoperte sono state supportate da una teoria dei polaritoni Dirac-BIC sviluppata tra Helgi Sigurdsson (Università di Varsavia), Hai Chau Nguyen (Università di Siegen, Germania) e Hai Son Nguyen (Univ Lyon, Francia).
Il vantaggio finale della piattaforma è che i complessi quantici artificiali possono essere programmabili otticamente eppure mantengono una durata molto elevata a causa della loro protezione dal continuo. Questo potrebbe portare a una nuova avventura nella programmazione ottica di fluidi quantici su larga scala definiti da scale di coerenza e stabilità senza precedenti per la lasing non lineare strutturata e la simulazione basata su polaritoni di sistemi complessi.
“Esistono ancora diversi modi interessanti da esplorare in questo sistema polaritonico Dirac artificiale. Ad esempio, il meccanismo di accoppiamento tra gocce di polaritoni lungo e perpendicolarmente alla direzione del reticolo è molto diverso. Lungo la guida d’onda, i polaritoni sono particelle a massa negativa fortemente legate al loro punto di pompaggio. Perpendicolarmente alla guida d’onda si muovono come particelle a massa positiva sottoposte a trasporto balistico. La miscela di questi due meccanismi apre una nuova finestra per osservare comportamenti emergenti di sincronia e formazione di modelli nei fluidi quantici polaritonici strutturati”, conclude Helgi Sigurðsson della Facoltà di Fisica, Università di Varsavia.
