来自Skoltech和英国南安普顿大学的研究人员使用全光学方法创建了一个人工晶格，其节点容纳了极子 - 半导体中半光半物质激发的准粒子。这种所谓的Lieb晶格，通常在自然界中不会出现，使研究小组能够展示对凝聚态物理学非常重要的突破性结果。从应用的角度来看，《自然-通讯》上报道的激光产生的偏振子晶格可用于设计下一代设备，如依赖色散管理和导光的光学计算机。



在强光-物质耦合体系中，放置在两个镜子之间的半导体中的电子激发会受到被困在其中的光子的强烈影响。这产生了新的量子模式，称为激子-极子，或简称为极子。它们使人们能够在微尺度上研究物质-波和光子的混合现象。在适当的条件下，偏振子可以形成类似于玻色-爱因斯坦凝结物的连贯多体物质状态，为研究奇异的耗散性非线性动力学提供机会。


研究人员决定探索这些凝结物在自然界中通常不存在的人工光学晶格中是如何表现的。为此，他们使用了一个可编程的空间光调制器，将激光束塑造成空腔内的晶格，这与用于在远处表面投射花式图案的激光指示器帽不一样。在激光场最强的地方，产生的极子数量增加，能量也更大。在足够高的激光功率下，偏振子开始形成凝结物，这些凝结物驻扎在晶格的势能最大值上。在这个所谓的“弹道”系统中，逃离凝聚体的高能量偏振子波在晶格中散射和衍射。


研究人员观察到，当晶格常数降低时，凝聚体经历了一个从弹道体系到相反情况的相变，即深陷的凝聚体现在居住在晶格的势垒中。在中间的晶格常数下，系统似乎无法"决定"偏振子波应该是脱域的还是局部的，相反，凝聚体在多种能量下断裂。这样的转变以前从未在偏振子晶格中观察到过。


研究人员还证明了他们可以产生固态物理学中最奇特的特征之一--完全无色散的晶带，也被称为平带--在那里粒子质量实际上变得无限大。为此，他们设计了一种光学利布晶格，这在自然界中并不常见，已知它拥有平带。


这篇报道中的研究是由Pavlos Lagoudakis教授领导的混合光子学实验室的年轻研究人员共同撰写的，他对该团队的发现做出了如下评论。"我们的实验室在偏振子凝聚体的光学晶格方面已经有了很好的专业知识，通过这项工作我们又向前迈进了一步。这些结果将引起广泛的科学界的兴趣，包括非线性光学、凝聚态物理、冷原子、光-物质物理和偏振子学。这是首次在光学生成的偏振子晶格中展示物质的非线性阶段和平带工程。在此之前，偏振子系统中的平带状态只在平版印刷的结构中显示过。"


论文的第一作者，来自Skoltech的实验物理学家Sergey Alyatkin博士和他的同事，来自南安普顿大学的理论物理学家Helgi Sigurdsson博士补充说："我们的工作非常好地证明了光学控制的进步和偏振子领域的丰富性。我们对晶格中的微腔偏振子研究得越多，我们观察到的有趣效应就越多。我们的最新成果为物质波准粒子的非稳态晶格混合物开辟了一条未被探索的物理学之路，而且我们并不局限于所研究晶格的特定类型。"