來自俄羅斯Skoltech大學(xué)和英國南安普頓大學(xué)的研究人員使用全光學(xué)方法創(chuàng)建了一個人工晶格，其節(jié)點容納了極子 - 半導(dǎo)體中半光半物質(zhì)激發(fā)的準(zhǔn)粒子。這種所謂的Lieb晶格，通常在自然界中不會出現(xiàn)，使研究小組能夠展示對凝聚態(tài)物理學(xué)非常重要的突破性結(jié)果。從應(yīng)用的角度來看，《自然-通訊》上報道的激光產(chǎn)生的偏振子晶格可用于設(shè)計下一代設(shè)備，如依賴色散管理和導(dǎo)光的光學(xué)計算機。

在強光-物質(zhì)耦合體系中，放置在兩個鏡子之間的半導(dǎo)體中的電子激發(fā)會受到被困在其中的光子的強烈影響。這產(chǎn)生了新的量子模式，稱為激子-極子，或簡稱為極子。它們使人們能夠在微尺度上研究物質(zhì)-波和光子的混合現(xiàn)象。在適當(dāng)?shù)臈l件下，偏振子可以形成類似于玻色-愛因斯坦凝結(jié)物的連貫多體物質(zhì)狀態(tài)，為研究奇異的耗散性非線性動力學(xué)提供機會。 

研究人員決定探索這些凝結(jié)物在自然界中通常不存在的人工光學(xué)晶格中是如何表現(xiàn)的。為此，他們使用了一個可編程的空間光調(diào)制器，將激光束塑造成空腔內(nèi)的晶格，這與用于在遠(yuǎn)處表面投射花式圖案的激光指示器帽不一樣。在激光場最強的地方，產(chǎn)生的極子數(shù)量增加，能量也更大。在足夠高的激光功率下，偏振子開始形成凝結(jié)物，這些凝結(jié)物駐扎在晶格的勢能最大值上。在這個所謂的“彈道”系統(tǒng)中，逃離凝聚體的高能量偏振子波在晶格中散射和衍射。

研究人員觀察到，當(dāng)晶格常數(shù)降低時，凝聚體經(jīng)歷了一個從彈道體系到相反情況的相變，即深陷的凝聚體現(xiàn)在居住在晶格的勢壘中。在中間的晶格常數(shù)下，系統(tǒng)似乎無法"決定"偏振子波應(yīng)該是脫域的還是局部的，相反，凝聚體在多種能量下斷裂。這樣的轉(zhuǎn)變以前從未在偏振子晶格中觀察到過。

研究人員還證明了他們可以產(chǎn)生固態(tài)物理學(xué)中最奇特的特征之一--完全無色散的晶帶，也被稱為平帶--在那里粒子質(zhì)量實際上變得無限大。為此，他們設(shè)計了一種光學(xué)利布晶格，這在自然界中并不常見，已知它擁有平帶。

這篇報道中的研究是由Pavlos Lagoudakis教授領(lǐng)導(dǎo)的混合光子學(xué)實驗室的年輕研究人員共同撰寫的，他對該團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)做出了如下評論。"我們的實驗室在偏振子凝聚體的光學(xué)晶格方面已經(jīng)有了很好的專業(yè)知識，通過這項工作我們又向前邁進(jìn)了一步。這些結(jié)果將引起廣泛的科學(xué)界的興趣，包括非線性光學(xué)、凝聚態(tài)物理、冷原子、光-物質(zhì)物理和偏振子學(xué)。這是首次在光學(xué)生成的偏振子晶格中展示物質(zhì)的非線性階段和平帶工程。在此之前，偏振子系統(tǒng)中的平帶狀態(tài)只在平版印刷的結(jié)構(gòu)中顯示過。"

論文的第一作者，來自Skoltech的實驗物理學(xué)家Sergey Alyatkin博士和他的同事，來自南安普頓大學(xué)的理論物理學(xué)家Helgi Sigurdsson博士補充說："我們的工作非常好地證明了光學(xué)控制的進(jìn)步和偏振子領(lǐng)域的豐富性。我們對晶格中的微腔偏振子研究得越多，我們觀察到的有趣效應(yīng)就越多。我們的最新成果為物質(zhì)波準(zhǔn)粒子的非穩(wěn)態(tài)晶格混合物開辟了一條未被探索的物理學(xué)之路，而且我們并不局限于所研究晶格的特定類型。"

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