Ученые из Института квантовой информации и вещества Калифорнийского технологического института теоретически обосновали существование новой квазичастицы тополяритона (топологического поляритона), образующейся в результате взаимодействия одиночных фотонов с электрон-дырочными парами (экситонами). Исследователи предполагают, что на основе тополяритонов возможно создание более эффективных оптоэлектронных устройств. Работа опубликована в Physical Review X.
Основываясь на свойствах тополяритонов, в качестве материалов, в которых возможна реализация подобных квазичастиц, авторы предложили теллурид кадмия и монослои дихалькогенидов переходных металлов (например, MoS2).
Квазичастица представляет собой квант коллективного колебания или возмущения многочастичной системы, обладающей энергией и, как правило, импульсом. Понятие вводится для упрощения описания квантовых систем со взаимодействием. В отличие от обычных частиц, квазичастицы не могут существовать вне среды, колебаниями которой они являются. Простыми примерами квазичастиц являются электрон проводимости, дырка, фонон (квант колебательных движений атомов в кристалле).
Взаимодействие света и вещества может порождать новые топологические состояния. Этот принцип в 2013 году был проиллюстрирован при создании фотонного топологического изолятора Флоке, в котором классический свет используется для создания топологической электронной зонной структуры. В данной работе исследователи выдвинули идею тополяритона – типа поляритона, представляющего собой результат взаимодействия одиночного фотона и экситона и способного двигаться только в одном направлении вдоль краев полупроводниковых квантовых ям, встроенных в оптические резонаторы. Квантовая яма и резонатор вынуждают электроны и фононы двигаться в одной плоскости, в результате чего образуются топологические (пространственно особенные) квантовые состояния, которыми в отдельности компоненты системы фотон-экситон не обладают.
Поляритон представляет собой квазичастицу, возникающую при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды – фононами, экситонами, плазмонами и т.д. При резонансном совпадении частоты и волнового вектора электромагнитных волн и возбуждений среды образуются связанные волны, обладающие характерным законом дисперсии и представляющие собой поляритоны.
Поскольку тополяритоны одновременно являются частично веществом и частично светом, ими можно управлять с помощью отражателей или фотонных запрещенных зон в оптической среде, через которые фотоны распространяться не могут. Кроме того, направление движения тополяритона можно обратить путем приложения магнитного поля. По словам авторов, такое устройство представляет собой как бы односторонний фильтр света, обеспечивающий направленную связь с минимальными потерями энергии. На данный момент существует проблема нехватки интерфейсов между фотонными и электронными устройствами, например, односторонних фотонных волноводов видимого света. Тополяритоны могут помочь в создании подобных устройств, необходимых для дальнейшего развития оптоэлектроники.