Поляритоны — это гибридные частицы, сочетающие в себе свойства света и материи. Они возникают в оптических структурах при сильной связи света с веществом, когда фотоны гибридизуются с лежащими в основе частицами в материалах — экситонами с квантовыми ямами (связанными электронно-дырочными парами).

Новое исследование, проведенное экспериментальной группой профессора Д. Крижановского из Университета Шеффилда, показало, что взаимодействие между поляритонами в микростолбах приводит к перекрестной фазовой модуляции между модами различной поляризации.

Изменение фазы значительно даже при наличии (в среднем) одного поляритона и может быть еще больше увеличено в структурах с более сильным ограничением света. Это дает возможность для квантовых поляритонных эффектов, которые можно использовать для квантового зондирования и вычислений.

Теоретический анализ, проведенный доктором Александром Кириенко, показывает, что наблюдаемый фазовый сдвиг одного поляритона может быть еще больше увеличен, а каскадирование микропилларов открывает путь к поляритонным квантовым воротам.

Квантовые эффекты со слабыми световыми лучами, в свою очередь, могут помочь в обнаружении химических веществ, утечки газа и выполнении вычислений со значительно увеличенной скоростью.

Исследование опубликовано Nature Photonics.

Доктор Кириенко говорит, что «экспериментальные результаты показывают, что квантовые эффекты на уровне одного поляритона могут быть измерены в одном микропилларе. С теоретической точки зрения важно увеличить фазовые сдвиги и превратить систему в фазовый вентиль с оптическим управлением. Мы определенно увидим больше усилий по созданию квантовых поляритонных решеток в качестве платформы квантовых технологий».

Поляритоны оказались отличной платформой для нелинейной оптики , где частицы обладают повышенной когерентностью из-за поля полости и сильной нелинейностью из-за экситон-экситонного рассеяния.

Ранее поляритонные эксперименты привели к наблюдению поляритонной конденсации Бозе-Эйнштейна и различных макроскопических нелинейных эффектов, включая образование солитонов и вихрей. Однако наблюдение квантовых поляритонных эффектов в нижнем пределе заполнения остается неизведанной областью.

Исследование показывает, что поляритоны могут поддерживать нелинейность и когерентность при очень малых заполнениях. Это запускает поиск поляритонных систем, которые могут дополнительно усиливать квантовые эффекты и работать как квантовые устройства.

Доктор Пол Уокер, соответствующий автор исследования, объясняет, что они «использовали высококачественные микростолбики из арсенида галлия, предоставленные сотрудниками из Парижского университета Сакле, Франция. Эти столбики ограничивают моды различной поляризации, близкие по энергии свет в одну из мод (основную), мы исследуем сигнал, отправленный в другую (более высокую энергию) моду, и наблюдаем, что наличие слабого (однофотонного) импульса приводит к вращению поляризации, которое можно рассматривать как управляемое вращение фазы."

Старший автор исследования профессор Крижановский заключает, что «в представленном эксперименте мы сделали первый шаг, чтобы увидеть однополяритонные эффекты. Безусловно, есть возможности для улучшения. Фактически, используя резонаторы меньшего размера и оптимизируя структуру, которую мы ожидаем, чтобы увеличить фазовый сдвиг на несколько порядков. Это установит современное состояние для будущих поляритонных чипов».