Credit: Skolkovo Institute of Science and Technology

Introduzione

I ricercatori della Skoltech e dell’Università di Cambridge hanno dimostrato che i polaritoni, le particelle bizzarre che potrebbero finire per far funzionare i supercomputer quantistici del futuro, possono formare strutture che si comportano come molecole e queste “molecole artificiali” possono potenzialmente essere progettate su richiesta.

Il documento che delinea questi risultati è stato pubblicato sulla rivista Physical Review B Letters.

“Molecole” artificiali

I polaritoni sono particelle quantistiche che consistono in un fotone e un eccitone, un’altra quasiparticella, sposando luce e materia in una curiosa unione che apre una moltitudine di possibilità nei dispositivi polaritonici di prossima generazione. Alexander Johnston, Kirill Kalinin e Natalia Berloff, professoressa alla Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials e all’Università di Cambridge, hanno dimostrato che i condensati di polaritoni accoppiati geometricamente, che appaiono nei dispositivi semiconduttori, sono in grado di simulare molecole con varie proprietà.

Le molecole ordinarie sono gruppi di atomi legati insieme con legami molecolari e le loro proprietà fisiche differiscono completamente da quelle dei loro atomi costituenti: si consideri la molecola d’acqua, H2O, e l’idrogeno e l’ossigeno elementari. “Nel nostro lavoro, mostriamo che gruppi di condensati polaritonici e fotonici interagenti possono formare una serie di entità esotiche e completamente distinte – “molecole” – che possono essere manipolate artificialmente. Queste “molecole artificiali” possiedono nuovi stati energetici, proprietà ottiche e modi vibrazionali da quelli dei condensati che li compongono“, spiega Johnston, del dipartimento di matematica applicata e fisica teorica dell’Università di Cambridge.

Quando i ricercatori stavano eseguendo simulazioni numeriche di due, tre e quattro condensati di polaritoni interagenti, hanno notato alcuni curiosi stati stazionari asimmetrici in cui non tutti i condensati hanno la stessa densità nel loro stato fondamentale. “Dopo ulteriori indagini, abbiamo scoperto che tali stati si presentavano in una grande varietà di forme diverse, che potevano essere controllate manipolando alcuni parametri fisici del sistema. Questo ci ha portato a proporre tali fenomeni come “molecole polaritoniche artificiali” e a studiare i loro potenziali usi nei sistemi di informazione quantistica“, dice Johnston.

Diade asimmetrica

In particolare, il team si è concentrato su una “diade asimmetrica“, che consiste in due condensati interagenti con occupazioni disuguali. Quando due di queste diadi sono combinate in una struttura tetrade, quest’ultima è, in un certo senso, analoga a una molecola omonucleare – per esempio, all’idrogeno molecolare H2. Inoltre, le molecole polaritoniche artificiali possono anche formare strutture più elaborate, che potrebbero essere pensate come “composti polaritonici artificiali“.

“Non c’è nulla che impedisca di creare strutture più complesse. Infatti, nel nostro lavoro abbiamo scoperto che c’è una vasta gamma di stati esotici e asimmetrici possibili nelle configurazioni a tetrade. In alcuni di questi, tutti i condensati hanno densità diverse (nonostante tutti gli accoppiamenti siano di uguale forza), invitando un’analogia con i composti chimici”, nota Alexander Johnston.

In specifiche strutture di tetrade, ogni diade asimmetrica può essere vista come uno “spin” individuale, definito dall’orientamento dell’asimmetria di densità. Questo ha conseguenze interessanti per i gradi di libertà del sistema (i parametri fisici indipendenti necessari per definire gli stati); gli “spin” introducono un grado di libertà discreto, oltre ai gradi di libertà continui dati dalle fasi di condensazione.

L’orientamento relativo di ciascuna delle diadi può essere controllato variando la forza di accoppiamento tra loro. Poiché i sistemi di informazione quantistica possono potenzialmente avere una maggiore precisione ed efficienza se utilizzano un qualche tipo di sistema ibrido discreto-continuo, il team ha quindi proposto questa struttura ibrida a tetradi come base potenziale per un tale sistema.

Inoltre, abbiamo scoperto una pletora di stati asimmetrici esotici nei sistemi a triade e tetrade. È possibile passare senza soluzione di continuità tra questi stati semplicemente variando la forza di pompaggio utilizzata per formare i condensati. Questa proprietà suggerisce che tali stati potrebbero costituire la base di un sistema logico polaritonico a più valori, che potrebbe consentire lo sviluppo di dispositivi polaritonici che dissipano molta meno potenza rispetto ai metodi tradizionali e, potenzialmente, operano ordini di grandezza più velocemente“, dice il professor Berloff.

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