Réseau de Lieb diffuseur de condensats de polaritons. Crédit : S. Alyatkin, et al. DOI : 10.1038/s41467-021-25845-4
Des chercheurs de Skoltech et de l’Université de Southampton, au Royaume-Uni, ont utilisé des méthodes entièrement optiques pour créer un réseau artificiel dont les nœuds abritent des polaritons – des quasi-particules qui sont des excitations mi-lumière et mi-matière dans les semi-conducteurs. Ce réseau dit de Lieb, qui n’existe généralement pas dans la nature, a permis à l’équipe de démontrer des résultats révolutionnaires importants pour la physique de la matière condensée. Du point de vue des applications, le réseau de polaritons généré par laser, rapporté dans Communication Nature, peut être utilisé pour la conception d’appareils de nouvelle génération tels que des ordinateurs optiques reposant sur la gestion de la dispersion et la lumière guidée.
Dans le régime de couplage fort lumière-matière, les excitations électroniques dans un semi-conducteur placé entre deux miroirs qui forment une microcavité sont fortement influencées par les photons piégés à l’intérieur. Cela donne naissance à de nouveaux modes quantiques appelés excitons-polaritons, ou simplement polaritons. Ils permettent l’étude des phénomènes hybrides matière-onde et photonique à l’échelle microscopique. Dans les bonnes conditions, les polaritons peuvent former des états de matière à plusieurs corps cohérents similaires aux condensats de Bose-Einstein, donnant accès à des dynamiques non linéaires dissipatives exotiques.
Les chercheurs ont décidé d’explorer le comportement de ces condensats dans des réseaux optiques artificiels que l’on ne trouve généralement pas dans la nature. Pour cela, ils ont utilisé un modulateur de lumière spatial programmable pour façonner un faisceau laser en un réseau à l’intérieur de la cavité, un peu comme les capuchons des pointeurs laser pour projeter des motifs fantaisistes sur des surfaces distantes. Les polaritons générés ont tous deux augmenté en nombre et sont devenus plus énergétiques là où le champ laser était le plus intense. À une puissance laser suffisamment élevée, les polaritons ont commencé à former des condensats qui résidaient sur les maxima potentiels du réseau. Dans ce régime dit balistique, des ondes de polaritons de haute énergie s’échappant des condensats se sont dispersées et diffractées à travers le réseau.
Les chercheurs ont observé que lorsque la constante de réseau diminuait, les condensats subissaient une transition de phase du régime balistique au cas inverse des condensats profondément piégés résidant maintenant dans les minima potentiels du réseau. À des constantes de réseau intermédiaires, le système semblait incapable de « décider » si les ondes de polaritons devaient être délocalisées ou localisées, et à la place, les condensats se sont fracturés à travers plusieurs énergies. Une telle transition n’avait jamais été observée auparavant dans les réseaux de polaritons.
Les chercheurs ont ensuite démontré qu’ils pouvaient produire l’une des caractéristiques les plus exotiques de la physique des solides – des bandes cristallines complètement sans dispersion, également connues sous le nom de bandes plates – où la masse des particules devient effectivement infinie. Pour cela, ils ont conçu un réseau optique de Lieb, non classiquement trouvé dans la nature, qui est connu pour posséder des bandes plates.
L’étude rapportée dans cet article a été co-écrite par de jeunes chercheurs du Hybrid Photonics Lab dirigé par le professeur Pavlos Lagoudakis, qui a fourni le commentaire suivant sur les conclusions de l’équipe : « Notre laboratoire a développé une grande expertise dans les réseaux optiques de condensats de polaritons, et avec ce travail, nous avons fait un pas de plus en avant. Ces résultats seront d’un grand intérêt pour une large communauté scientifique couvrant l’optique non linéaire, la physique de la matière condensée, les atomes froids, la physique de la lumière et la polaritonique. Il s’agit de la première démonstration des phases non triviales de la matière et de l’ingénierie à bande plate dans des réseaux de polaritons générés optiquement. Auparavant, les états de bande plate dans les systèmes de polaritons n’avaient été montrés que dans des structures écrites par lithographie.
Le premier auteur de l’article, le physicien expérimental Dr. Sergey Alyatkin de Skoltech, et son collègue, le physicien théoricien Dr. Helgi Sigurdsson de l’Université de Southampton, ont ajouté : « Notre travail est une très belle démonstration des avancées en matière de contrôle et de richesse optiques. dans le domaine de la polaritonique. Plus nous étudions les polaritons de microcavités dans les réseaux, plus nous observons d’effets intéressants. Nos derniers résultats ont ouvert une voie vers une physique inexplorée des mélanges de réseaux non stationnaires de quasiparticules d’ondes de matière, et nous ne nous limitons pas à un type spécifique de réseau étudié.
Référence : « Quantum fluids of light in all-optical scatterer lattices » par S. Alyatkin, H. Sigurdsson, A. Askitopoulos, JD Töpfer et PG Lagoudakis, 22 septembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25845-4
