利用結構雷射合成人造固態晶體結構

江蘇雷射聯盟導讀：研究人員發明了一種利用結構雷射來實現人造固體晶體結構的方法，製造的能帶只需要調整雷射的模式就可以輕鬆實現，從而可以在一種無創傷性的方法下進入人造晶格的量子物理系統中

利用雷射合成人造固態晶體結構的實驗裝置示意圖

來自英國的斯科爾特和南安普頓 的混合光子實驗的研究人員，聯合蘭卡斯特大學（ Lancaster University (U.K.)）的研究工作者，在最近發布了一項新的光學技術，僅僅使用雷射人工合成了具有腔極性的固態晶體結構。結果證明可以實現現場可編程極化電路 和新的方法來實現光導和強約束 的相干光源。這一創新成果以論文題目「Synthetic band-structure engineering in polariton crystals with non-Hermitian topological phases」發表在近期發表的期刊《 Nature Communications》

創造量子顆粒的人造晶格可以允許研究人員在自然界中製造出一種原本不存在的環境下的物理現象來進行研究。通過這一設計，然而，一個面臨的挑戰就是柔性的限制。材料需要能夠利用反向工程實現任務的要求，並且冷原子的光學晶格技術可以製造出任意的晶格形狀。

項目研究人員發展了一種新的辦法來創造任一形狀和可編程的人造晶格，這一方法真是僅僅使用結構雷射 就得以實現。可編程則意味著腔極性系統 可以從一個晶格結構變化成另外一個晶格結構，而在變換的時候不需要使用昂貴的新的系統來進行切換。

結構雷射 structured laser light

當雷射轟擊半導體量子牆的時候，它就會激發出電子和空穴，同時雷射出兩種有名的束縛態。當量子牆位於兩個鏡子之間的時候，形成光子的陷阱（或空穴），一些激發的粒子變成穿著光子衣服的實體，形成異國情調的半光、半物質準粒子 ，以上兩種都屬於著名的激子極化或腔極化。

激子極化會發生相互作用和經常性的來回彈跳 。然而，他們也會反彈跳離開正常的電子，並且在背景激發。研究人員表明通過在以幾何結構的方式應用雷射，激子極化開始遵循雷射的形式進行彈跳形成 激發電子、孔洞。換言之，激子極化開始經受一個在雷射「列印」的條件下形成綜合性的潛在景觀（實體）。

雷射激發生成的潛在景觀，只能被激子極化所感知，而不是腔體內 的光子，將系統從光子晶體中來區分開來。通過增加雷射傳輸對稱性的模式，研究人員製造了固態系統的基本形態，通過固態材料中的電子的激子極化形成的晶體能帶。

這一結果為研究耗散多體量子物理 在晶格環境下的性能不能在正常的厄米量子系統 中進行製造開闢了新的可能。

實驗採用雷射進行極化固化形成圓圈固態晶體的過程

這以研究成果是非厄米拓撲物理 的發展的激動人心的新領域。

製造的能帶只需要調整雷射的模式就可以輕鬆實現，從而可以在一種無創傷性的方法下進入人造晶格的量子物理系統中。這一結果在很多領域都有用處，包括光通訊、信息處理、用於生物醫學的高靈敏度的探頭和拓撲保護雷射。

文章來源: L. Pickup et al. Synthetic band-structure engineering in polariton crystals with non-Hermitian topological phases, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18213-1以及 Skolkovo Institute of Science and Technology、Holo。