極化子是由光子和激子(另一種準粒子)組成的量子粒子，它以一種奇怪的結合方式將光和物質結合在一起，為下一代極化子裝置打開了多種可能性。劍橋大學的光子和量子材料Skoltech中心教授Alexander Johnston, Kirill Kalinin和Natalia Berloff已經證明，出現在半導體器件中的幾何耦合極化激元凝聚能夠模擬具有各種特性的分子。

普通分子是透過分子鍵結合在一起的一組原子，它們的物理性質與組成它們的原子截然不同:想想水分子H2O和單質氫和氧。“在我們的工作中，我們展示了相互作用的極化和光子凝聚簇可以形成一系列奇特而完全不同的實體——“分子”——可以人工操縱。劍橋大學應用數學和理論物理系的約翰斯頓解釋說:“這些“人造分子”擁有由凝聚態組成的新的能量狀態、光學特性和振動模式。”

當研究人員對兩個、三個和四個相互作用的極化激子凝聚進行數值模擬時，他們注意到一些奇怪的不對稱定態，其中並非所有的凝聚在基態的密度都相同。“經過進一步的研究，我們發現這種狀態以各種不同的形式存在，可以透過操縱系統的某些物理引數來控制。這促使我們提出了“人工極化子分子”這樣的現象，並研究它們在量子資訊系統中的潛在用途，”Johnston說。

研究小組特別關注的是“不對稱二分體”，它由兩種相互作用的、具有不平等職業的冷凝物組成。當其中的兩個成對分子組合成四分體結構時，後者在某種意義上類似於同核分子——例如，氫分子H2。此外，人工極化激元分子還可以形成更復雜的結構，可以被認為是“人工極化激元化合物”。

“沒有什麼能阻止更復雜的結構被創造出來。事實上，在我們的工作中，我們已經發現在四分體構型中可能存在許多奇異的、不對稱的態。在其中的一些凝析油中，所有的凝析油都有不同的密度(儘管所有的耦合強度都相同)，這讓人聯想到化合物，”亞歷山大·約翰斯頓指出。

在特定的四分體結構中，每一個不對稱的二分體都可以被看作是一個單獨的“自旋”，由密度不對稱的方向來定義。這對系統的自由度(定義狀態所需的獨立物理引數)產生了有趣的結果;“自旋”引入了一個離散的自由度，除了冷凝相給出的連續自由度。

每一對的相對方向可以透過改變它們之間的耦合強度來控制。由於量子資訊系統如果利用某種混合離散-連續系統，可能會提高準確性和效率，因此該團隊提出了這種混合四分體結構作為這種系統的潛在基礎。

“此外，我們還在三元和四元體系中發現了大量奇異的不對稱態。只要改變形成凝析油的泵送強度，就有可能實現這種狀態之間的無縫轉換。這一特性表明，這些狀態可以形成一個極化多值邏輯系統的基礎，這可以使極化電子裝置的發展，耗散的能量明顯低於傳統方法，而且可能更快數量級，”Berloff教授說。