Kierteisiä topologisia eksitoni-polaritoneja

Kuvassa vasemmalla yksi kerros volframidisulfidia (WS2) kuvioiduilla fotonikiteellä. WS2:n eksitonien vahva kytkentä fotonikiteen kanssa johtaa eksitoni-fotoni polaritonien muodostumiseen, joilla on kierteiset topologiset ominaisuudet. Oikealla kirkas piste on kiertävästi polarisoitunutta valoa. Se saa aikaan kierteisiä topologisia eksitoni-polaritoneja. Niillä on liikkeen suuntaan lukittu spin mikä saa ne etenemään suunnatusti ja taipumaan kulmissa ilman takaisinsirontaa.

Suurempi kuva

Kvanttifysiikan tutkimus on synnyttänyt laajan valikoiman kvasihiukkasia. Nämä käsitteelliset rakenteet kuvaavat uusia ilmiöitä, joilla näyttää olevan useiden muiden hiukkasten ominaisuudet sekoittuneena toisiinsa.

Esimerkiksi eksitoni on kvasihiukkanen, joka toimii kuin elektroni sitoutuneena elektroniaukkoon. Askel siitä eteenpäin on eksitoni-polaritoni, joka yhdistää eksitonin ja fotonin ominaisuudet, jolloin se käyttäytyy aineen ja valon yhdistelmänä.

Näiden ominaisuuksien oikean yhdistelmän saavuttaminen ja aktiivinen hallinta on avain kvantti-ilmiöiden soveltamiseen tekniikkaan, kuten tietokoneisiin.

Pennsylvanian Hunanin ja George Washingtonin yliopistojen tutkijat ovat ensimmäisinä luoneet vielä eksoottisemman eksitoni-polaritonin, jolla on kvanttispin, joka on lukittu liikkeen suuntaan. Spinin suunnan mukaan nämä kierteiset topologiset eksitoni-polaritonit liikkuvat vastakkaisiin suuntiin tietyntyyppisen topologisen eristeen pintaa pitkin.

Kyky reitittää tällaisia kvasihiukkasia niiden spinin perusteella olosuhteissa ja ympäristössä, jossa ne eivät siroa takaisin, avaa mahdollisuuden käyttää niitä tiedonsiirtoon tai laskelmien suorittamiseen ennennäkemättömällä nopeudella.

Tutkimus toi esiin myös uudentyyppisiä topologisia eristeitä. Niillä on kyky kuljettaa elektroneja pinnallaan sirottamatta niitä ja sama ajatus voidaan ulottaa kvasihiukkasiin, kuten fotoneihin tai polaritoneihin.

"Elektronien korvaaminen fotoneilla tekisi tietokoneista ja muista tekniikoista entistä nopeampia, mutta fotoneja on erittäin vaikea moduloida, reitittää tai kytkeä. Niitä ei voida kuljettaa terävien käännösten ympäri ja vuodattaa ulos aaltoputkesta”, tutkimusta vetänyt Ritesh Agarwal sanoo. ”Näin topologisista eksiton-polaritoneista voi olla hyötyä, mutta se tarkoittaa, että on kehitettävä uudentyyppisiä topologisia eristeitä, jotka voivat toimia polaritonien kanssa.”

"Jos pystyisimme tekemään tämäntyyppisen kvanttimateriaalin, voisimme reitittää eksitoni-polaritoneja tiettyjä kanavia pitkin ilman sirontaa, sekä moduloida tai kytkeä niitä ulkoisilla sähkökentillä tai pienillä lämpötilan muutoksilla."

Työssään he osoittivat tutkimansa ilmiön toimivan 200 Kelvinin (-73 °C) lämpötilassa. Tutkijat uskovatkin, että materiaalin puhtauden pienet parannukset voisivat helposti siirtää sen toimimaan ympäristöolosuhteissa, sillä atomisesti ohuet 2D-materiaalit muodostavat erittäin vahvoja eksitoneja, jotka selviävät huoneenlämmössä.

Agarwalin ryhmä tutkii nyt, kuinka topologiset polaritonit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mikä veisi ne askeleen lähemmäksi käytettäväksi käytännöllisissä fotonisissa laitteissa.

Aiheesta aiemmin:

Kierteisiä elektroneja ja eksitoneja

Kuvia eksitoni-polaritoneista