科学家创造了准粒子的光学传送带

由 RIKEN 和 NTT Research 的科学家领导的一个研究小组利用两个激光器之间的干涉，创建了一种“光学传送带”，可以在半导体微腔中移动极化子(一种光物质混合粒子)。这项工作可能会导致新设备的开发，并应用于量子计量和量子信息等领域。

在《自然光子学》上发表的当前研究中，科学家们利用两个激光之间的干涉来创建动态势能景观(想象一下不断重复运动的山谷和丘陵景观)，以获得已知的相干、类似激光的极化激元状态作为极化子凝聚物。

他们通过引入一种新的光学工具——光学传送带——来实现这一目标，以实现对能量景观的控制，具体来说，是晶格深度和相邻粒子之间的相互作用。

通过进一步调节两个激光器之间的频率差，传送带以光速 0.1% 的速度移动，将极化子驱动到新的状态。

非互易性——一种系统动力学在相反方向上不同的现象——是创造所谓的物质的人工拓扑相的关键因素。拓扑是通过计算“孔”的数量对对象进行数学分类，例如，甜甜圈或结可能具有有限数量的孔，而球则没有。

量子材料也可以采用非零拓扑进行设计，在这种情况下，它更抽象地嵌入到能带结构中。此类材料可以表现出无耗散传输等行为，这意味着它们可以在没有能量损失的情况下移动，以及其他奇异的量子现象。

将非互易性引入工程光学平台极具挑战性，而这种简单、可扩展的实验演示为结合功能拓扑的新兴量子技术开辟了新的机会。

该研究小组包括第一作者 Yago del Valle Inclan Redondo 和来自 RIKEN CEMS 和 NTT Research 的高级研究科学家 Michael Fraser 领导的研究小组，以及来自德国、新加坡和澳大利亚的合作者，在这个方向上进行了一项研究。

弗雷泽说：“我们通过一种涉及能量景观快速调制的机制，在半导体结构中创造了光的拓扑状态，从而引入了合成维度。”

合成维度是一种将非空间维度(在本例中为时间)映射到类空间维度的方法，以便系统动力学可以在更高的维度上演化，并变得更适合实现拓扑物质。

这项工作扩展了该小组去年发表的一项技术，该技术同样使用时间调制激光来驱动极化子凝聚物的快速旋转。

利用这种涉及两个激光之间干涉的简单实验方案，科学家们能够以精确的正确尺寸组织极化激元，以创建人工能带结构，这意味着粒子组织成能带，就像材料中的电子一样。

通过调节偏振子光学晶格的尺寸、深度和速度，可以实现对能带结构的控制。由于这种快速运动，极化激元会看到不同的势能景观，具体取决于它们是顺着晶格流动还是逆着晶格流动传播，这种效应类似于声音的多普勒频移。

受限极化子的这种不对称响应打破了时间反转对称性，推动了非互易性和拓扑能带结构的形成。

“具有拓扑特性的光子态可用于先进的光电器件，其中拓扑可以极大地提高光学器件、电路和网络的性能，例如通过降低噪声和激光阈值功率以及无耗散光波导。

弗雷泽总结道：“此外，我们技术的简单性和鲁棒性为拓扑光子器件在量子计量和量子信息中的应用的开发提供了新的机会。”