Chiral doublon bound states in a synthetic topological waveguide

Nel mondo della luce e della materia, gli scienziati sanno da tempo come far interagire singoli fotoni, o particelle di luce, con gli atomi. Quando queste minuscole particelle sono intrappolate in un canale stretto chiamato guida d'onda, possono rimbalzare avanti e indietro, creando complessi schemi di energia. Di solito, tuttavia, le particelle di luce si ignorano a vicenda; passano l'una attraverso l'altra come fantasmi. Per far sì che si leghino tra loro o si influenzino a vicenda, i ricercatori devono introdurre un tipo speciale di attrito o non linearità nel sistema. Ciò consente ai fotoni di accoppiarsi, formando gruppi strettamente legati noti come doublon. Pensate a queste coppie non come a due viaggiatori separati, ma come a un unico viaggiatore più pesante che si muove attraverso il canale. Allo stesso tempo, i fisici hanno scoperto che certi materiali possono essere progettati per avere una "lateralità" nascosta, o chiralità, dove le onde possono viaggiare in una sola direzione, proprio come una strada a senso unico. La domanda che guida la ricerca recente è cosa accada quando questi due concetti esotici — le coppie di fotoni legate e le strade a senso unico — si incontrano.

Un team di ricercatori della Xi'an Jiaotong University ha esplorato questa intersezione progettando un modello teorico di una guida d'onda a scala triangolare. In questa configurazione, hanno posto una coppia di emettitori quantistici, ovvero minuscole sorgenti di luce, in un canale dove i fotoni possono interagire fortemente con i loro vicini. Sintonizzando la forza di queste interazioni, i ricercatori hanno scoperto che i due fotoni in una coppia si comportano come se si muovessero su un tipo di traccia completamente diverso. Hanno mappato il movimento di queste coppie di fotoni su una struttura nota come catena di Su-Schrieffer-Heeger, un celebre modello della fisica che crea stati speciali protetti ai bordi di un materiale. Il risultato è stata la scoperta di un nuovo tipo di stato legato che è chirale, il che significa che è bloccato su un lato del canale e non può passare facilmente all'altro.

I ricercatori hanno scoperto che, quando un emettitore è accoppiato a questo sistema, crea una perturbazione unica nel flusso delle coppie di fotoni. Invece di accumularsi attorno all'emettitore, le coppie di fotoni formano uno stato legato che presenta un "nodo" distinto, o un punto di presenza nulla, proprio nella posizione in cui si trova l'emettitore. La funzione d'onda della coppia di fotoni, che descrive dove è probabile trovare le particelle, svanisce in quel punto specifico e poi decade esponenzialmente allontanandosi verso un solo lato. Questo comportamento imita una vacanza, o un buco, nel reticolo del materiale. L'emettitore agisce efficacemente come un muro duro che le coppie di fotoni non possono penetrare, costringendole ad accumularsi su un solo lato. Questa localizzazione unidirezionale è un'eredità diretta dalle proprietà topologiche della struttura sottostante, conferendo allo stato legato il suo carattere chirale. La direzione di questa localizzazione dipende interamente da quale parte specifica del reticolo l'emettitore è collegato, permettendo agli scienziati di controllare se lo stato legato cresca verso sinistra o verso destra.

Per testare come questi stati legati chirali possano interagire tra loro, il team ha esteso il loro modello includendo due coppie separate di emettitori. Hanno esaminato cosa accadeva quando queste due coppie venivano poste a diverse distanze e orientamenti l'una rispetto all'altra. Quando le due coppie di stati legati erano disposte l'una di fronte all'altra, con le loro code localizzate che si sovrapponevano nello spazio tra di esse, il sistema prendeva vita con attività. I ricercatori hanno osservato oscillazioni di Rabi coerenti, uno scambio ritmico di energia in cui l'eccitazione salta avanti e indietro tra le due coppie di emettitori. Questa interazione era guidata dalla sovrapposizione delle nuvole di coppie di fotoni, creando un legame forte e controllabile tra gli emettitori distanti.

Tuttavia, la storia cambia drasticamente quando l'orientamento o la spaziatura vengono alterati. Quando le due coppie di stati legati erano disposte schiena contro schiena, puntando l'una lontano dall'altra, le loro code non si sovrapponevano affatto. In questa configurazione, l'interazione svaniva completamente e le due coppie di emettitori rimanevano indipendenti, senza che avvenisse alcun trasferimento di energia. Allo stesso modo, se le due coppie di emettitori venivano poste sullo stesso tipo di sito reticolare ma separate da un numero pari di passi, l'interazione scompariva anch'essa. Ciò accade perché gli stati legati chirali esistono solo su siti alternati specifici all'interno del reticolo; se il secondo emettitore è posto su un sito dove il primo stato legato ha presenza nulla, essi semplicemente non possono "vedersi". I ricercatori hanno confermato queste scoperte attraverso dettagliate simulazioni numeriche, mostrando che la forza dell'interazione dipende non solo dalla distanza, ma anche dal preciso allineamento degli stati chirali e dalla parità della separazione tra essi.

Queste scoperte suggeriscono un nuovo modo per ingegnerizzare le interazioni tra coppie di fotoni correlati senza la necessità che siano fisicamente vicini. Controllando la chiralità e il posizionamento relativo degli emettitori, gli scienziati possono attivare o disattivare l'interazione, creando un collegamento commutabile tra sistemi quantistici distanti. Lo studio propone che tale configurazione possa essere realizzata nella circuit quantum electrodynamics utilizzando accoppiatori non lineari sintonizzabili, offrendo una via pratica per costruire reti quantistiche non lineari. Questo lavoro fornisce una tabella di marcia per la creazione di interazioni many-body su misura, dove il flusso di informazioni è governato dalle regole topologiche del sistema piuttosto che dalla semplice prossimità, aprendo la porta a dispositivi quantistici più complessi e robusti.