Pesquisadores demonstram sincronização espontânea de vórtices quânticos em microcavidades semicondutoras

Pesquisadores da Skoltech, Universitat Politècnica de València, Instituto de Espectroscopia da RAS, Universidade de Varsóvia e Universidade da Islândia demonstraram a formação espontânea e a sincronização de múltiplos vórtices quânticos em microcavidades semicondutoras opticamente excitadas.

Eles mostraram que os vórtices quânticos de polariton formados nas células vizinhas de redes geradas opticamente tendem a ter uma carga de vórtice topológica oposta, ou seja, os vórtices são “antiferromagneticamente acoplados”.

O trabalho foi publicado em Avanços da Ciência.

Redes artificiais opticamente estruturadas, compostas de vórtices de polaritons acoplados, são uma nova plataforma promissora para o estudo e simulação de sistemas de matéria condensada, substituindo o momento angular de spin pelo momento angular orbital do condensado de polariton.

A dinâmica de vórtices quânticos em sistemas exciton-polariton tem sido estudada há muito tempo usando uma variedade de técnicas de excitação óptica. No entanto, redes bidimensionais estendidas de vórtices quânticos de fase bloqueada não foram demonstradas até agora em tal sistema dissipativo acionado.

Neste trabalho, os autores conseguiram criar, por meios ópticos, uma rede triangular com 22 células possuindo condensados ​​de polaritons presos, cada uma carregando um vórtice de carga única.

Como excitar a rede de vórtices quânticos e fazê-los interagir?

Todos os experimentos foram realizados no Skoltech, no Laboratório de Fotônica Híbrida do Centro de Fotônica, liderado pelo professor Pavlos Lagoudakis, vice-presidente de fotônica do instituto.

Nos experimentos, os pesquisadores usaram uma microcavidade planar semicondutora — dois espelhos altamente refletivos, formando um ressonador, com poços quânticos de InGaAs intercalados entre eles. Isso resulta, sob certas condições (o chamado regime de acoplamento de matéria de luz forte), na formação de quasipartículas chamadas exciton-polaritons ou polaritons de microcavidade — estados acoplados dos excitons em poços quânticos e os fótons da cavidade confinada.

“Nós excitamos opticamente uma amostra de microcavidade semicondutora com um feixe de laser padronizado usando nossa técnica de modulação de luz espacial, que dominamos recentemente com nossos colegas da Universidade de Southampton. Essa técnica nos permitiu moldar o feixe de laser em uma matriz de feixes gaussianos fortemente focados, dispostos em uma rede hexagonal”, disse o professor assistente da Skoltech, Sergey Alyatkin, o primeiro autor do artigo.

“Então variamos os parâmetros da rede e descobrimos que para uma pequena constante de rede acima de alguma potência de excitação crítica, os polaritons condensam dentro das células da rede. Primeiro, verificamos experimentalmente o que acontece em uma única célula. O condensado preso ocupou os estados de vórtice com probabilidades quase iguais para o vórtice (carga topológica de +1) e antivórtice (carga topológica de -1).

“No entanto, em um par de células vizinhas, os vórtices interagem e formam uma solução estável com carga topológica oposta em cada célula, sempre formando um par vórtice-antivórtice ou antivórtice-vórtice. Em seguida, estudamos a física dos condensados ​​em uma estrutura triangular de três células e, em seguida, uma rede triangular muito maior de vórtices. A parte mais difícil para mim foi analisar estatisticamente um enorme conjunto de dados experimentais para apoiar nossas alegações.”

“Nesse ponto, suspeitamos que os vórtices não estavam apenas se sincronizando em pequenos aglomerados frustrados, mas, em vez disso, mostravam uma assinatura de ordem antiferromagnética estendida na rede triangular implementada”, acrescentou o teórico Dr. Helgi Sigurðsson, da Universidade de Varsóvia.

“Para verificar isso, medimos a carga do vórtice (momento angular orbital) de cada condensado em todas as células da rede em várias realizações individuais e independentes da rede e verificamos as correlações com as configurações de baixa energia do famoso hamiltoniano de spin de Ising.

“Descobrimos que o momento angular orbital observado nas soluções estáveis ​​da nossa rede de vórtices se correlacionou significativamente com as soluções de baixa energia de spins de Ising acoplados antiferromagneticamente. Nossos resultados ressaltam que, ao projetar a dinâmica complicada de um sistema em outro, podemos encontrar similaridades peculiares.”