Skyrmions são excitações localizadas, semelhantes a partículas, em materiais que mantêm sua estrutura devido a restrições topológicas (ou seja, restrições decorrentes de propriedades que permanecem inalteradas sob deformações suaves). Essas quasipartículas, introduzidas pela primeira vez na física de altas energias e na teoria quântica de campos, têm atraído intenso interesse na física da matéria condensada e na fotônica, devido ao seu potencial como portadores robustos para armazenamento e manipulação de informações.

Pesquisadores da Universidade Sun Yat-sen e da Universidade de Tianjin relataram recentemente a primeira realização experimental de skyrmions quânticos de fóton único (ou seja, estruturas de luz localizadas) em um sistema de eletrodinâmica quântica (EDQ) de cavidade semicondutora. O artigo, publicado na Nature Physics , pode abrir novas possibilidades para o estudo das interações quânticas entre luz e matéria, contribuindo também para o avanço de dispositivos quânticos fotônicos.

"Nosso trabalho foi motivado pelo desafio de longa data de realizar estruturas fotônicas topológicas — especificamente skyrmions — no nível quântico", disse Ying Yu, coautor sênior do artigo,.

Embora skyrmions ópticos tenham sido demonstrados em óptica clássica usando configurações em massa, criá-los com fótons individuais em uma plataforma em escala de chip permaneceu um problema em aberto. Nosso objetivo era preencher essa lacuna alavancando a eletrodinâmica quântica de cavidades em estado sólido (cQED) com acoplamento spin-órbita projetado para gerar skyrmions de fótons individuais.

O principal objetivo deste estudo recente de Yu e seus colegas foi criar skyrmions quânticos usando um sistema de microcavidades baseado em pontos quânticos acoplados deterministicamente. Além disso, a equipe desejava explorar as propriedades topológicas dessas quasipartículas e avaliar sua robustez contra perturbações.

"Projetamos e fabricamos uma microcavidade gaussiana semicondutora-dielétrica com forte acoplamento spin-órbita fotônico, que suporta modos de cavidade skyrmiônica", explicou Yu.

Esses modos são superposições cuidadosamente projetadas de estados Laguerre-Gaussianos que carregam momento angular orbital , essencial para a formação de skyrmions. Ao incorporar um único ponto quântico de InAs no centro dessa cavidade sob campos magnéticos, conseguimos acoplar seletivamente a emissão do ponto com polarização circular a modos específicos da cavidade e gerar fótons individuais cujos estados de polarização formam texturas skyrmiônicas.

Para realizar skyrmions ópticos quânticos, os pesquisadores empregaram uma combinação de diversas tecnologias e técnicas experimentais. As mais notáveis foram um sistema de microcavidades precisamente projetado, o posicionamento cuidadoso de pontos quânticos nesse sistema e a coleta de medições de fótons únicos com resolução de polarização.

Este estudo recente de Yu e seus colegas pode abrir novas e valiosas possibilidades para o desenvolvimento de sistemas fotônicos quânticos e óptica quântica quiral. No futuro, os skyrmions quânticos recém-descobertos poderão ser aproveitados para desenvolver sistemas de informação quântica, protocolos de comunicação quântica de alta dimensão e memórias quânticas protegidas topologicamente.

Como parte de seus próximos estudos, os pesquisadores esperam desenvolver outras estruturas skyrmiônicas usando técnicas experimentais semelhantes. Por exemplo, eles gostariam de desenvolver skyrmiônios, estruturas topológicas compostas com uma topologia ajustável que podem ser valiosas para o avanço de dispositivos spintrônicos e quânticos.

"Também estamos encontrando maneiras de gerar emaranhamento entre polarização e skyrmions em um único fóton sem campos magnéticos externos", acrescentou Yu.

Além disso, pretendemos integrar esses dispositivos em circuitos fotônicos escaláveis, potencialmente possibilitando novas arquiteturas para computação quântica e processamento de informações. Também estamos investigando o uso de materiais anisotrópicos e quirais para controlar e diversificar ainda mais as características topológicas dos fótons emitidos.