Ученые разработали метод, который позволяет синтезировать искусственные твердые кристаллические структуры для экситон-поляритонов. Для их создания нужно только лазерное излучение. Работа исследователей опубликована в журнале Nature Communications.

Создание искусственных кристаллических решеток для квантовых частиц позволяет ученым исследовать физические процессы, которые сложно встретить в природе. Их характерной особенностью является симметрия, с помощью которой физики часто могут получать точные модели с понятными свойствами. Однако создание искусственных решеток требует соблюдения некоторых условий и ограничений.

Во-первых, так как используемые материалы невозможно изменять в процессе создания структуры, они должны быть заранее подготовлены в окончательном виде. Во-вторых, невозможно создание решетки произвольной формы.

Команда исследователей из лаборатории гибридной фотоники Сколковского института науки и технологий, Саутгемптонского и Ланкастерского университетов смогла разработать новый способ создания кристаллических решеток, избавившийся от этих ограничений. Их метод позволяет делать искусственные структуры произвольной формы, для создания которых используется только структурированное лазерное излучение. При этом решетку можно перестраивать без создания абсолютно новой.

Метод авторов исследования основан на использовании свойств экситон-поляритонов. Эти частицы образуются из экситонов — связанных состояний электронов и дырок, которые возбуждаются при попадании лазерного излучения в полупроводниковую квантовую яму. Если разместить квантовую яму между двумя зеркалами, то появится резонатор для фотонов. В результате у некоторых экситонов появится оболочка из фотонов и образуются новые экзотические квазичастицы, состоящие наполовину из вещества и наполовину из света. Такие частицы называют экситон-поляритонами.

Они отличаются высокой активностью и взаимодействуют не только друг с другом, но и с окружающими частицами. А при использовании геометрически структурированного лазера экситон-поляритоны начинают отталкиваться от возбужденных электронов, дырок и экситонов. В результате они движутся так, как нужно ученым.

Важная особенность нового метода заключается в том, что лазер не воздействует на фотоны внутри резонатора. Ученым удалось добиться того, что образование энергетических зон в кристаллах в случае экситон-поляритонов подобно тому, как это происходит у электронов в твердотельных материалах. При этом для изменения структуры таких зон достаточно лишь перенастроить лазер, что позволит управлять квантовыми состояниями в искусственных решетках.

Сфера практического применения нового способа широка — от систем оптической связи и обработки информации до высокочувствительных биомедицинских детекторов и систем генерации оптического излучения с топологической защитой. Кроме того, открываются новые возможности для изучения фундаментальных вопросов физики.