De verschillende wisselwerkingen tussen polaritontweeheden (pijltjes geven de richting van de ‘spin’ aan)  (afb: Physical Review B)

Polaritons zijn… Pola wat?…ehh polaritonen kan ook hoor, maar dat zijn nogal rare nepdeeltjes die wel eens de ‘motor’ van de kwantumsupercomputers (superlatief op superlatief) zouden kunnen worden. Die nepdeeltjes gedragen zich als ‘kunstmatige moleculen’, zeggen de onderzoekers, en kunnen in principe naar behoeve aangepast worden. Deze vorm van hogere (onbegrijpelijkere) natuurkunde werd bedreven door onderzoekers van het Russische Skoltechinstituut en de universiteit van Cambridge.
Polaritonen zijn kwantumdeeltjes (quasideeltjes) die bestaan uit een foton (lichtdeeltje) en een exciton (ook een vaag quasideeltje). Ze combineren licht en materie en die combinatie zou ze in theorie geschikt maken voor een groot aantal toepassingen.
De onderzoekers hebben aannemelijk gemaakt dat, even de kiezen op elkaar, geometrisch gekoppelde polaritoncondensaten, die je kunt vinden in halfgeleidercomponenten, in staat zijn tot ‘moleculair’ gedrag.
Moleculen zijn verbindingen tussen atomen. De eigenschappen van moleculen zijn sterk afhankelijk van de samenstelling. Zo lijkt water nauwelijks op de samenstellende bestanddelen (waterstof en zuurstof). “We hebben aangetoond dat wisselwerkende polaritonische en fotonische condensaten een hele reeks exotische en totaal verschillende entiteiten kunnen vormen, een soort ‘moleculen’ die je kunt manipuleren”, zegt Alexander Johnston.”Deze ‘kunstmatige moleculen’ bezitten andere energietoestanden, optische eigenschappen en trillingsmodi dan de condensaten waaruit ze bestaan.”

Als er simulaties werden gedraaid van twee, drie of vier wisselwerkende polaritoncondensaten, dan ontstonden er vreemde, asymmetrische stationaire toestanden, waarbij niet alle condensaten dezelfde dichtheid hebben in de grondtoestand. Johnston: “Toen we verder gingen kijken zagen we dat die toestanden in een brede waaier van vormen voorkwamen en dat die gestuurd konden worden door bepaalde natuurkundige parameters van het systeem te veranderen. Dat gaf ons het idee dat verschijnsel te betitelen met ‘kunstmatige polaritonmoleculen’ en om hun mogelijkheden te onderzoeken voor kwantuminformatiesystemen.”

Tweeheid

De onderzoekers hebben zich vooral gericht op een asymmetrische dyade (tweeheid), bestaande uit twee wisselwerkende condensaten met ongelijke ‘functies’. Als twee van die tweeheden werden gecombineerd in een vierheid (tetrade), dan lijkt die op een molecuul van een element zoals waterstof (H₂). Polaritonen kunnen ook ingewikkelder ‘moleculen’ vormen. Volgens Johnston zouden er een hoop exotische, assymmetrische toestanden mogelijk zijn in tetrades. “In sommige hebben alle condensaten verschillende dichtheden, ondanks dat de koppelingen dezelfde kracht hebben. Dat doet denken aan een analogie met scheikundige verbindingen.”

In bepaalde tetradestructuren kan elke asymmetrische tweeheid worden gezien als een afzonderlijke ‘spin’ (verwijzend naar de kwantumspin): de oriëntatie van de dichtheidsassymetrie. Dat zou mooie gevolgen hebben voor de vrijheidsgraden van het systeem. Die ‘spins’ zouden een aparte vrijheidsgraad betekenen naast de vrijheidsgraden die zijn gegeven door de condensaatfases. De richting kan worden gestuurd door de onderlingen krachten in zo’n tweeheid.
Kwantuminformatiesystemen zouden kunnen winnen aan nauwkeurigheid en efficiëntie als ze gebruik maken van een hybride discreet(in stappen)/continu-systeem. Daar zou een hybride tetradestructuur voor kunnen dienen, denken de onderzoekers.

Daarnaast hebben de onderzoekers een hele reeks exotische asymmetrisch toestanden gevonden in triade- en tetradesystemen. “Er is een naadloze overgang tussen die toestanden mogelijk door de pompkracht te veranderen waarmee je de condensaten vormt”, zegt medeonderzoekster Natalia Berlov. “Dat voedt het idee dat die toestanden de basis zouden kunnen vormen van een logisch systeem met componenten die minder energie vergen dat de traditionele technieken en, in potentie, grootteordes sneller.” (Gefeliciteerd dat je zo ver gekomen bent in een artikel met zoveel onbekendheid; as).

Bron: EurekAlert