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(noticias nanowerk) En un artículo publicado en comunicación de la naturaleza Investigadores del Instituto Paul Drude de Berlín y del Instituto Balseiro de Bariloche (Argentina) («Microcavity phonoritons – a coherent optic-to-microwave interface») demostraron que la mezcla de líquidos cuánticos encerrados hechos de luz y sonido en GHz conduce a la creación de una elusiva cuasipartícula de fonoritón: en parte un cuanto de luz (fotón), un cuanto de sonido (fonón) y un excitón semiconductor.
Este descubrimiento abre una nueva forma de convertir de forma coherente información entre los dominios óptico y de microondas y aporta beneficios potenciales a los campos de la fotónica, la optomecánica y las tecnologías de comunicación óptica.
El trabajo del equipo de investigación se inspira en un fenómeno cotidiano: la transferencia de energía entre dos osciladores acoplados, por ejemplo dos péndulos conectados por un resorte. Bajo ciertas condiciones de acoplamiento, llamadas acoplamiento fuerte (SC), la energía oscila continuamente entre los dos péndulos, que ya no son independientes porque sus frecuencias y tasas de caída no coinciden con las de los péndulos desacoplados. Los osciladores también pueden ser estados cuánticos fotónicos o electrónicos: el régimen SC en este caso es fundamental para el control y el intercambio de estados cuánticos.
En el ejemplo anterior se supone que los dos péndulos tienen la misma frecuencia, es decir, están en resonancia. Sin embargo, los sistemas cuánticos híbridos requieren una transferencia de información coherente entre osciladores con frecuencias muy diferentes. Un ejemplo importante de esto son las redes de computadoras cuánticas. Mientras que los ordenadores cuánticos más prometedores funcionan con qubits de microondas (es decir, a unos pocos GHz), la información cuántica se transmite eficazmente mediante fotones en el rango del infrarrojo cercano (100 ds THz). Entonces se requiere una transmisión bidireccional y coherente de información cuántica entre estos dominios. La conversión directa entre qubits de microondas y fotones es muy ineficiente en muchos casos. En este caso, una alternativa es mediar la conversión a través de una tercera partícula que pueda acoplarse eficientemente tanto a los qubits de microondas como a los fotones. Un buen candidato son las oscilaciones en GHz de la rejilla (fonón).
Los fundamentos teóricos para la SC entre luz y fonones fueron establecidos por Keldysh e Ivanov en 1982 (Keldysh & Ivanov, Así que V. Física. JETP 57, 234 (1983)), quienes predijeron que los cristales semiconductores pueden mezclar fotones y fonones a través de otra cuasipartícula: el excitón-polaritón (en adelante: polaritón). Los polaritones se crean por el fuerte acoplamiento entre fotones y excitones. Cuando un fonón entra en juego, puede acoplar dos osciladores de polaritones cuyas frecuencias difieren exactamente en la frecuencia del fonón. Si el acoplamiento es lo suficientemente grande, es decir, en el régimen SC, se forma una nueva cuasipartícula: el fonorito, que es una mezcla de un excitón, un fotón y un fonón.
Sin embargo, debido a los estrictos requisitos experimentales para la formación de fonoritones, ha habido muy pocos informes sobre la formación de fonoritones (Latini et al., Física. Rev. Lett. 126, 227401 (2021)). Además de la importancia científica del descubrimiento de esta nueva excitación semiconductora fundamental, el fonoriton puede ser un nuevo mediador prometedor para la conversión coherente de frecuencia de microondas a óptica.
Kuznetsov et al. generó polaritones en un resonador de microcavidad estructurada del tipo que se muestra en la Fig. 1 (a). Las regiones más gruesas y del tamaño de una micra dentro de la microcavidad actúan como trampas híbridas tanto para polaritones de 370 THz como para fonones de 5 a 20 GHz. La captura multiplicó la interacción entre las dos partículas, lo que es un requisito previo importante para la formación de fonoritones. Al inyectar ópticamente más polaritones en la trampa, el equipo creó dos condensados de polaritones que se caracterizan por una línea de emisión muy brillante y espectralmente estrecha (sub-GHz).
A diferencia de los láseres convencionales, los polaritones tienen fuertes interacciones entre partículas, lo que justifica el nombre de «líquidos cuánticos» de luz. Debido a estas interacciones, el intercambio de energía entre los dos líquidos ligeros se puede ajustar con precisión controlando sus densidades mediante un láser externo. Si la división de energía coincide con la energía del fonón, los dos líquidos de polaritones se sincronizan, consulte la figura 1 (b). La sincronización se basa en una combinación de interacciones no lineales polaritón-polaritón y la transferencia eficiente de polaritones entre los líquidos ligeros, que está mediada por la absorción y emisión de fonones. Se descubrió que el acoplamiento inducido por fonones entre estados de polaritones excedía su tasa de desintegración, lo que marca la formación del fonoritón.
Luego, los autores utilizaron un transductor piezoeléctrico fabricado en la microcavidad y alrededor de la trampa para controlar el dispositivo con microondas e inyectar fonones de 7 GHz en la trampa (Kuznetsov et al., Phys. Rev. X 11, 021020 (2021))). En presencia de los fonones inyectados, el espectro de fonoritones se transforma en una cresta de resonancias estrechas (o bandas laterales de fonones), como se muestra en la Fig. 1 (c). Las bandas laterales a la izquierda (derecha) del pico central corresponden a la emisión (absorción) coherente de fonones, lo que demuestra una conversión bidireccional de microondas a óptica. Curiosamente, y a diferencia de los sistemas optomecánicos tradicionales donde los fonones interactúan directamente con los fotones y la fuerza de la interacción depende solo del número de fotones, aquí la interacción escala tanto con las poblaciones de polaritones como de fonones.
En resumen, el trabajo de Kuznetsov et al. Resonancias fotónicas, electrónicas y fonónicas adaptadas de microcavidades semiconductoras estructuradas para demostrar fonoritones, así como una conversión bidireccional coherente de microondas a óptica en un sistema semiconductor.
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