Les chercheurs ont créé pour la première fois un quasi-cristal 2D à polariton reconfigurable. L'équipe de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech), en collaboration avec des collègues de l'Université d'Islande, de l'Université de Varsovie et de l'Institut de spectroscopie de l'Académie des sciences de Russie, a démontré que cet état unique de la matière présente un ordre à longue portée et un nouveau type de synchronisation de phase, ouvrant ainsi de nouvelles voies à la recherche sur des phénomènes exotiques tels que les supersolides et la superfluidité en apériodique. paramètres.
La percée, publiée dans Avancées scientifiquesa été réalisé à l’aide d’excitons-polaritons – des quasiparticules hybrides qui sont en partie légères et en partie matière. En disposant ces polaritons dans un pavage de Penrose, un célèbre motif apériodique doté d'une symétrie quintuple, l'équipe a observé l'émergence d'un état cohérent macroscopique dans lequel les nœuds individuels se synchronisaient de manière non triviale, contrairement à tout ce que l'on voit dans les cristaux périodiques conventionnels.
L'attrait de l'apériodique
Depuis leur découverte controversée par Dan Shechtman en 1984, pour laquelle il a ensuite remporté le prix Nobel, les quasi-cristaux fascinent les scientifiques. Ils possèdent une structure paradoxale : ils ne présentent pas le motif répétitif des cristaux ordinaires, mais présentent un ordre strict à longue portée. La structure unique des quasi-cristaux peut être utilisée pour créer des revêtements antiadhésifs extrêmement durables pour les poêles à frire et les lames de rasoir, leur permettant ainsi de durer beaucoup plus longtemps. À l’avenir, les quasi-cristaux pourraient conduire à une isolation plus efficace des bâtiments et à une amélioration des technologies LED pour l’éclairage.
D'un point de vue fondamental, les quasi-cristaux révèlent des spectres d'énergie fractale et des propriétés inhabituelles de transport d'ondes, telles que la localisation d'Anderson de la lumière. Bien qu’étudiés dans divers systèmes électroniques, photoniques et atomiques, leur comportement dans un fluide quantique hors équilibre piloté par laser est resté largement inexploré jusqu’à présent.
L'expérience : Peindre avec la lumière
Pour construire leur quasi-cristal, les chercheurs de Skoltech ont utilisé une technique optique sophistiquée. Ils ont façonné un faisceau laser avec un modulateur spatial de lumière pour projeter un motif de carrelage Penrose, composé de losanges épais et minces, sur un échantillon de microcavité semi-conductrice. Cette « impression » d’un ensemble de points de pompe sur le matériau semi-conducteur crée un paysage potentiel pour les polaritons en interaction.
Lorsque la puissance du laser augmentait au-dessus d’un certain seuil, des condensats exciton-polariton se formaient à chaque nœud du pavage. En raison de leur nature hybride, ces condensats ne sont pas localisés sur les spots pompés par un laser mais peuvent circuler de manière balistique à travers l'échantillon, interagissant et interférant les uns avec les autres. En ajustant la puissance du laser, le nombre de nœuds et l’espacement entre eux, les chercheurs ont obtenu un contrôle précis du système de polaritons dans des contextes apériodiques.
Ordre à longue portée et phases non triviales
L’observation la plus frappante de l’équipe a été la formation spontanée d’une cohérence macroscopique sur l’ensemble de la structure apériodique, s’étendant sur des distances 100 fois supérieures à la taille d’un seul condensat. L'émergence de l'ordre à longue portée a été confirmée par l'apparition de pics de Bragg nets et dix fois symétriques dans la photoluminescence de l'espace-impulsion, une marque claire d'un ordre quasicristallin.
De plus, à l’aide d’une technique d’interférométrie sensible, les chercheurs ont mesuré la carte des phases relatives entre les condensats. Ils ont découvert que les nœuds se synchronisaient avec des différences de phase qui n’étaient ni parfaitement en phase ni parfaitement déphasées, un phénomène non observé dans les réseaux périodiques. Ce « verrouillage de phase non trivial » est une conséquence directe de l’environnement complexe et apériodique du pavage de Penrose.
« Les résultats sont littéralement magnifiques », a déclaré Sergey Alyatkin, premier auteur de l'article et professeur adjoint au Centre photonique de Skoltech. « Nous avons trouvé un motif d'interférence complexe dans le plan de l'échantillon de microcavité alors que les polaritons de différents nœuds de la mosaïque de Penrose se propagent et interagissent balistiquement. »
Les auteurs pensent que l'approche optique mise en œuvre ouvre la voie à une réalisation physique plus approfondie d'un monotile apériodique récemment découvert par les mathématiciens. Le monotile découvert ne nécessite qu’une seule forme de carreau pour couvrir tout le plan sans aucun espace. Avant cette découverte, on pensait qu'un quasi-cristal 2D pouvait être carrelé avec au moins deux formes distinctes de tuiles, l'exemple prototypique étant le quasi-cristal de Penrose composé d'une paire de losanges fins et épais réalisé dans ce travail.
