光捕获的量子光滴可以结合在一起形成宏观复合物

来自莱切 CNR Nanotec 和华沙大学物理学院的科学家们使用新一代半导体光子光栅来光学定制光量子液滴的复合体，这些复合体结合在一起形成宏观相干态。该研究支持了一种利用光学以高度可重构的方式模拟和探索人造原子之间相互作用的新方法。该成果发表在权威期刊《自然物理学》上

研究人员经常使用凝聚态系统和光子技术来创建微型平台，可以在更容易接近的环境中模拟许多相互作用的量子粒子的复杂动力学。一些例子包括光学晶格中的超冷原子系综、超导阵列以及光子晶体和波导。2006 年，出现了一个新平台，展示了激子极化子的宏观相干量子流体，通过光学技术探索多体量子现象。

当一块半导体放置在两个镜子(光学微谐振器)之间时，内部的电子激发会受到镜子之间捕获的光子的强烈影响。由此产生的新玻色子量子粒子，称为激子极化子(或简称极化子)，在适当的情况下可以经历相变，形成非平衡玻色-爱因斯坦凝聚体，并形成宏观量子流体或光滴。极化子的量子流体具有许多显着的特性，其中之一是它们是光学可配置和可读的，可以轻松测量极化子动力学。这就是它们在模拟多体物理方面如此有利的原因。

极化子凝聚物必须用外部激光器连续光泵浦以补充粒子，否则凝聚物会在皮秒内消散。然而，泵送凝结水越用力，由于粒子间的排斥力，凝结水的能量就越大，导致粒子逃离凝结水并随后导致空间相关性的衰减。这是光学可编程极化子模拟器的一个基本问题。科学家们需要想出一种方法，使凝聚态更稳定、寿命更长，同时仍能进行光泵浦。

来自莱切 CNR Nanotec 和华沙大学物理学院的科学家利用新一代半导体光子光栅实现了这一目标。在《自然物理学》上发表的题为“连续体中束缚态的可重构量子流体分子”的论文中，他们利用光子光栅的亚波长特性为极化激元赋予了新特性。首先，极化子可以被驱动凝结成超长寿命状态，称为连续体束缚态(BIC)。BIC 的迷人之处在于，由于对称性强制保护免受光子模式外部连续体的影响，它们大多是非辐射的。其次，由于来自光栅的色散关系，极化子获得了负的有效质量。这意味着泵浦极化激元不再能够轻易地通过正常的衰变通道逃逸。现在，研究人员拥有了寿命极长且仅使用光学技术即可安全限制的极化激元流体。

结合起来，这些机制使得莱切 CNR Nanotec 的 Antonio Gianfrate 和 Danielle Sanvitto 能够光学泵送多个极化子液滴，这些液滴可以相互作用并杂交成宏观复合物。他们可以使用这种新形式的人造原子(负质量 BIC 极化激元的凝聚体)来定制和可逆地配置分子排列和分子链。BIC 特性使极化子具有更长的寿命，而负质量特性导致它们被光学捕获。这些发现得到了 Helgi Sigurdsson(华沙大学)、Hai Chau Nguyen(德国锡根大学)和 Hai Son Nguyen(法国里昂大学)共同开发的 BIC 狄拉克极化理论的支持。

该平台的最终优势在于，人造量子复合体可以进行全光学编程，但由于受到连续谱的保护，它们保留了非常高的寿命。这可能会导致对光学可编程大规模量子流体的新尝试，该流体由前所未有的相干尺度和稳定性来定义，用于结构化非线性激光和基于极化子的复杂系统模拟。

“在这个人工极化狄拉克系统中仍然有几种有趣的方法有待探索。例如，沿着和垂直于光栅方向的极化子液滴之间的耦合机制是非常不同的。沿着波导，极化激元实际上是与其泵浦点紧密结合的负质量粒子。它们垂直于波导以正质量粒子的形式进行弹道输运。这两种机制的混合打开了一个新的窗口，可以观察结构化极化子量子流体中的同步行为和模式形成”，华沙大学物理学院的 Helgi Sigurðsson 总结道。

一个国际科学家团队在国家科学中心赠款 (2022/45/P/ST3/00467) 的支持下进行了研究，该赠款由玛丽·斯克洛多夫斯卡-居里赠款协议 (No) 下的欧盟研究和创新地平线 2020 框架计划共同资助.945339)。