Поляритон БИК. а, Представление поляритонного волновода с частично вытравленной одномерной решеткой. б — Зависимость экстремумов верхней и нижней полос при kx = 0 от доли воздуха на решетке (wa/a) с цветами, соответствующими добротности, рассчитанной методом FDTD. Вставка: расчетная дисперсия мод решетки (без учета экситонного резонанса); толщина линии представляет собой ширину соответствующих фотонных резонансов для wa = 0,25a (красная вертикальная линия). c — дисперсия поляритона как функция kx в диапазоне энергий вокруг экситонного перехода (зеленая пунктирная линия), рассчитанная по модели связанных осцилляторов: результаты FDTD фотонных компонентов связаны с экситонным резонансом; цвета представляют собой линейное представление доли экситонов для каждой моды от 0 (фотон) до 1 (экситон). д, Излучение фотолюминесценции с угловым разрешением при нерезонансном возбуждении от решетки с шагом a ≈ 240 нм и коэффициентом заполнения FF ≈ 0,7. Темное пятно при E ≈ 1,519 эВ на нижней поляритонной ветви происходит от поляритонного BIC. Модель связанных осцилляторов (синяя пунктирная линия) используется для подбора дисперсии поляритонов, как в c. e, экспериментально извлеченные пиковые энергии и соответствующие HWHM (цветовая шкала) из двух мод поляритонов, видимых в d, в зависимости от kx. Точки, ближайшие к kx ≈ 0, не могут быть охарактеризованы из-за отсутствия сигнала темнового состояния. f — время жизни с разрешением по энергии распространяющихся поляритонов из ветви, содержащей моду BIC, которая соответствует доле экситонов 0,5 (|X|2). Планки погрешностей (желтые) указаны явно, с увеличением размера при приближении к энергии BIC (вертикальная пунктирная линия). грамм, Дисперсия поляритонных мод в зависимости от kx и ky, извлеченная из экспериментальных спектров. Дисперсия нижней ветви явно образует седло с минимумом по ky и максимумом по kx. h, Расчетная дисперсия поляритонов вдоль kx и ky, полученная с помощью модели связанных осцилляторов, как в c и d. Цвета в g, h соответствуют оси энергии, возрастающей от темного к светлому. Кредит:Природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04583-7

БИК — это топологические состояния в квантовой системе, обладающие уникальными свойствами — их энергия находится в спектре мод, распространяющихся в окружающем их пространстве. Они не взаимодействуют с другими состояниями в континууме, а их энергия, которая считается реальной, имеет бесконечную добротность. Они также не могут излучать в дальнее поле. Такие состояния могут существовать в акустических, электронных и фотонных системах. В этой новой работе исследователи работали с ними над фотонной системой, где кристаллы используются для улучшения их нелинейных эффектов.

Работа группы включала использование свойств BIC для демонстрации поляритонной конденсации Бозе-Эйнштейна (когда газ охлаждается почти до абсолютного нуля, образуя новое состояние материи) в плоском волноводе (устройство, которое направляет свет в вертикальном направлении). 

В своей работе исследователи построили волновод, используя 12 слоев арсенида галлия — каждый слой был разделен барьерами. Затем пять верхних слоев были протравлены одномерной решеткой, которая была разработана для обеспечения резонансного состояния BIC с возбуждением квантовых ям в слоях. Это также гарантировало, что материя и свет будут сильно связаны. Это привело к образованию экситон-поляритонов, которые из-за БИК были локализованы и имели бесконечно узкую ширину линии.

Затем исследователи запустили свое устройство, используя лазерные импульсы, направленные на волновод, и при этом продемонстрировали поляритонную конденсацию Бозе-Эйнштейна — они наблюдали выбросы с двойным пиком вблизи краев BIC, сужение ширины линии и появление синего смещения. Они также показали, что свойства BIC, наблюдаемые поляритонами, были как выше, так и ниже порогового уровня возбуждения, связанного с конденсацией.