В основе твердого тела лежит кристаллическая решетка, образованная ядрами атомов. Геометрия решетки способна влиять на зависимость энергии частицы от скорости. В зависимости от геометрии кристаллические решетки подразделяются на множество видов. Существуют такие разновидности решетки, например, решетка Либа, где связь между энергией и скоростью частицы пропадает. Такие состояния частиц в решетке называются плоскими зонами. В них с формальной точки зрения частица имеет бесконечную эффективную массу.
Плоские зоны представляют большой интерес для фундаментальной науки. Они используются для изучения сверхпроводников, ферромагнетиков и других квантовых фаз. Подобные квантовые фазы можно наблюдать и для фотонов – элементарных частиц света. При этом необходимо создать искусственный фотонный аналог твердого тела: так называемый фотонный кристалл, геометрию которого можно регулировать. В таких условиях наблюдать различные квантовые свойства частиц и управлять ими гораздо проще.
Физики из Университета ИТМО и Университета Шеффилд смогли создать фотонный аналог кристаллической решетки Либа и убедились, что квантовые эффекты в фотонной структуре действительно выражены ярче.
«Строго говоря, мы имели дело не совсем с фотонами, а с поляритонами, – объясняет Дмитрий Крыжановский, старший научный сотрудник Университета ИТМО и профессор университета Шеффилда. – Это гибридное состояние возникает, когда возбужденный электрон смешивается с фотоном. Такие гибридные частицы начинают взаимодействовать друг с другом, как электроны в твердом теле. Мы получили кристаллическую решетку из поляритонов и исследовали их новые свойства. Теперь мы знаем, как поляритоны конденсируются в плоских зонах, как их взаимодействие нарушает симметрию излучения, как изменяются спиновые или поляризационные свойства».
Поляритоны позволяют долгое время экспериментально наблюдать вращение спина, легко контролировать концентрацию частиц в решетке, то есть обеспечивают больше возможностей для прецизионного управления системой.
«С фундаментальной точки зрения это интересно тем, что мы можем получить больше разнообразных фаз и эффектов, не поддающихся изучению в стандартных решетках, – комментирует Иван Шелых, руководитель Международной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО. – На практике поляризация может служить элементом хранения информации. Все вычисления строятся на двухуровневой системе. Есть 0 и 1, и для реализации оптических вычислений нам нужны состояния, которые им соответствуют. Поляризация, право- и левоциркулярная с целым рядом промежуточных комбинаций – идеальный кандидат для обработки информации на квантовом уровне».
В создание и изучение поляритонной кристаллческой решетки большой вклад внесли ученые Университета Шеффилда. Профессор этого университета Морис Сколник руководит мегагрантом по изучению гибридных состояний света вместе с Иваном Шелых.
«Экспериментальную работу мы проводили в Шеффилде, а за теоретическое моделирование и анализ результатов отвечала команда Университета ИТМО, – рассказывает Иван. – Мне кажется, это хороший пример того, как должна выглядеть наука. Результаты эксперимента, опубликованные без интерпретации сложно понять; голую теорию с нереалистичными параметрами тяжело применить на практике. А нам удается сочетать эксперимент с теорией. Мы планируем и дальше работать в таком ключе. Наша ближайшая цель – получить и исследовать краевые топологические состояния в такой решетке».
Статья: Exciton Polaritons in a Two-Dimensional Lieb Lattice with Spin-Orbit Coupling. C. E. Whittaker et al. Physical Review Letters, Mar. 2, 2018.
