來自俄羅斯Skoltech大學和英國南安普頓大學的研究人員使用全光學方法創(chuàng)建了一個人工晶格，其節(jié)點容納了極子 - 半導體中半光半物質(zhì)激發(fā)的準粒子。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)物理學非常重要的突破性結果。從應用的角度來看，《自然-通訊》上報道的激光產(chǎn)生的偏振子晶格可用于設計下一代設備，如依賴色散管理和導光的光學計算機。

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?shù)臈l件下，偏振子可以形成類似于玻色-愛因斯坦凝結物的連貫多體物質(zhì)狀態(tài)，為研究奇異的耗散性非線性動力學提供機會。 

研究人員決定探索這些凝結物在自然界中通常不存在的人工光學晶格中是如何表現(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物，這些凝結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，他們設計了一種光學利布晶格，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教授領導的混合光子學實驗室的年輕研究人員共同撰寫的，他對該團隊的發(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了一步。這些結果將引起廣泛的科學界的興趣，包括非線性光學、凝聚態(tài)物理、冷原子、光-物質(zhì)物理和偏振子學。這是首次在光學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)只在平版印刷的結構中顯示過。"

論文的第一作者，來自Skoltech的實驗物理學家Sergey Alyatkin博士和他的同事，來自南安普頓大學的理論物理學家Helgi Sigurdsson博士補充說："我們的工作非常好地證明了光學控制的進步和偏振子領域的豐富性。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就越多。我們的最新成果為物質(zhì)波準粒子的非穩(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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