Guide d'onde à grille sub-longueur d'onde supportant les gouttelettes de polariton (visualisation : Antonio Gianfrate, Crédit : CNR Nanotec, édité
Les scientifiques ont fait progresser le domaine en stabilisant les polaritons excitons dans des réseaux photoniques semi-conducteurs, obtenant ainsi des fluides quantiques à longue durée de vie et optiquement configurables, adaptés aux simulations de systèmes complexes.
Des chercheurs du CNR Nanotec de Lecce et de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie ont utilisé une nouvelle génération de réseaux photoniques semi-conducteurs pour adapter optiquement des complexes de gouttelettes quantiques de lumière qui se sont liées entre elles dans des états macroscopiques cohérents. La recherche sous-tend une nouvelle méthode permettant de simuler et d’explorer les interactions entre atomes artificiels de manière hautement reconfigurable, en utilisant l’optique. Les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue Physique naturelle.
Technologies de simulation quantique
Les systèmes de matière condensée et les technologies photoniques sont régulièrement utilisés par les chercheurs pour créer des plates-formes à micro-échelle capables de simuler la dynamique complexe de nombreuses particules quantiques en interaction dans un environnement plus accessible. Quelques exemples incluent des ensembles atomiques ultrafroids dans des réseaux optiques, des réseaux supraconducteurs et des cristaux photoniques et des guides d'ondes. En 2006, une nouvelle plate-forme a émergé avec la démonstration de fluides quantiques macroscopiquement cohérents d'excitons-polaritons pour explorer les phénomènes quantiques à N corps par le biais de techniques optiques.
Exciton-Polaritons et fluides quantiques
Lorsqu’une pièce semi-conductrice est placée entre deux miroirs – un microrésonateur optique – les excitations électroniques à l’intérieur peuvent être fortement influencées par les photons piégés entre les miroirs. Les nouvelles particules quantiques bosoniques qui en résultent, appelées excitons-polaritons (ou polaritons en abrégé), peuvent, dans de bonnes circonstances, subir une transition de phase vers un condensat de Bose-Einstein hors équilibre et former un fluide quantique macroscopique ou une gouttelette de lumière. Les fluides quantiques des polaritons ont de nombreuses propriétés importantes, l'une étant qu'ils sont optiquement configurables et lisibles, permettant des mesures faciles de la dynamique des polaritons. C’est ce qui les rend si avantageux pour simuler la physique à N corps.
Défis de stabilité et de pompage
Les condensats de polariton doivent être continuellement pompés optiquement avec des lasers externes pour reconstituer les particules, sinon le condensat se dissipe en quelques picosecondes. Cependant, plus vous pompez le condensat, plus il devient énergétique en raison des forces répulsives interparticulaires, ce qui conduit les particules à s'échapper du condensat et à la désintégration ultérieure des corrélations spatiales. Il s’agit d’un problème fondamental pour les simulateurs de polaritons optiquement programmables. Les scientifiques devaient trouver un moyen de rendre le condensat plus stable et plus durable, tout en étant pompé optiquement.
Progrès dans la stabilité du polariton
Des scientifiques du CNR Nanotec de Lecce et de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie ont atteint cet objectif en utilisant une nouvelle génération de réseaux photoniques à semi-conducteurs. Dans leur article intitulé « Molécules de fluide quantique reconfigurables des états liés dans le continuum », publié dans Physique naturelle, ils ont utilisé les propriétés sub-longueur d’onde du réseau photonique pour imprégner les polaritons de nouvelles propriétés. Premièrement, les polaritons pourraient être amenés à se condenser dans un état à durée de vie ultra-longue appelé état lié dans le continuum (BIC). Ce qui est fascinant à propos des BIC, c’est qu’ils sont pour la plupart non radiatifs en raison de la protection renforcée par la symétrie contre le continuum extérieur des modes photoniques. Deuxièmement, les polaritons ont obtenu une masse effective négative en raison de la relation de dispersion provenant du réseau. Cela signifiait que les polaritons pompés ne pouvaient plus s’échapper aussi facilement par les canaux de désintégration normaux. Désormais, les chercheurs possédaient des fluides polaritons qui avaient une durée de vie extrêmement longue et étaient confinés en toute sécurité en utilisant uniquement des techniques optiques.
Combinés, ces mécanismes ont permis à Antonio Gianfrate et Danielle Sanvitto du CNR Nanotec de Lecce de pomper optiquement plusieurs gouttelettes de polariton qui pourraient interagir et s'hybrider en complexes macroscopiques. Ils pourraient adapter et configurer de manière réversible des arrangements et des chaînes moléculaires en utilisant cette nouvelle forme d’atomes artificiels : des condensats de polaritons BIC de masse négative. La propriété BIC confère aux polaritons une durée de vie beaucoup plus longue, tandis que la propriété de masse négative les rend piégés optiquement. Les résultats ont été étayés par une théorie BIC Dirac-polariton développée entre Helgi Sigurdsson (Université de Varsovie), Hai Chau Nguyen (Université de Siegen, Allemagne) et Hai Son Nguyen (Université de Lyon, France).
L'avantage ultime de la plate-forme est que les complexes quantiques artificiels peuvent être programmés de manière entièrement optique tout en conservant des durées de vie très élevées en raison de leur protection contre le continuum. Cela pourrait conduire à une nouvelle aventure dans le domaine des fluides quantiques à grande échelle optiquement programmables, définis par des échelles de cohérence et une stabilité sans précédent pour le laser non linéaire structuré et la simulation de systèmes complexes basée sur le polariton.
« Il existe encore plusieurs voies intéressantes à explorer dans ce système artificiel polaritonique de Dirac. À titre d’exemple, le mécanisme de couplage entre les gouttelettes de polariton le long et perpendiculairement à la direction du réseau est très différent. Le long du guide d’ondes, les polaritons sont en fait des particules de masse négative fortement liées à leur point de pompage. Perpendiculairement au guide d'ondes, elles se déplacent sous forme de particules de masse positive soumises à un transport balistique. Le mélange de ces deux mécanismes ouvre une nouvelle fenêtre pour étudier les comportements émergents de synchronie et de formation de modèles dans les fluides quantiques à polaritons structurés », conclut Helgi Sigurðsson de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie.
Une équipe internationale de scientifiques a mené des recherches soutenues par la subvention du Centre national des sciences (2022/45/P/ST3/00467) cofinancée par le programme-cadre de l'Union européenne pour la recherche et l'innovation Horizon 2020 dans le cadre de la convention de subvention Marie Sklodowska-Curie (No .945339).
