Quantum Fluid Dynamics

Polaritons are light-matter particles formed by a strong interaction between the electronic excited states in a semiconductor and the light field of a microcavity.
Recently, they have attracted particular attention for their capacity to undergo phase transition to a collective coherent state in a similar way to the standard Bose-Einstein condensation demonstrated in cold atoms.

In the past years we have observed an incredibly rich phenomenology of quantum effects in fluids of polariton condensates, spanning from superfluid flow and persistent currents to the observation of a complex and important dynamics of vortex formation, stability and movement. More recently, thanks to the easy way of controlling and manipulating polariton states, as well as their fast dynamics, we could also observe that polaritons can be used as the perfect test-bed for the study of quantum phenomena which are hard to observe in other systems.

The aim of this line is the control of the fluid dynamics of quantum gases of polaritons, which are solid state particle which flow in the plane of the device much like a classical fluid, but retaining exceptional  properties typical of the quantum realm. These include the control of the formation of vortices and their motion, fundamental understanding of the quantum turbulence and phase transitions, but also the possibility to implement such phenomena in future devices for all-optical logic. The optical setup to operate with quantum fluid of light is a laboratory in which the ultrafast spectroscopy is paired with techniques such as digital off-axis holography and second order correlations.

Highlights:

1. Our group observed for the first time the polariton backjet and its ultrafast dynamics, an unexpected penomenon consisting in the spectacular dynamical accumulation of the particles in a central spot quite denser and much times thinner than the originally created drop of polaritons, in  the time of few ps. Nature Communications (2015)

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2. Our results on quantized vorticity include the achievement of the first direct excitation of an half-vortex state, consisting in the two spin components carrying a l=1 and l=0 vorticity, respectively,  and the observation of the 2D+t spiralling dynamics of the phase singularity in a weakly nonlinear regime.  Science Advances (2015)

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3. We spatially resolved for the first time the sub-ps dynamics of directly excited Rabi oscillations, typical of such systems and consisting in the simultaneous excitation of the two polariton modes by the ultrafast laser pulse. This gives rise to a beating in the time domain, which is equivalent to an oscillating energy transfer between the photon and exciton field. Phys. Rev. Lett. 113, 226401 (2014)

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4. Using a coherent control between two counter-polarized exciting pulses, it is possible to convert the intensity oscillations associated to the Rabi splitting into polarization oscillations.

In this way the emission from the sample results into a continuously changing polarization state, swirling between opposite polarizations in the time of approximately 1 ps (as the Rabi period), and slowly fading into a fixed state in a 10 ps (as the lower polaritons lifetime)  Light Sci. Appl. 4, e350 (2015) .

H44

Facilities & Labs

Photonics Lab @Lecce

People

daniele_sanvittoDaniele

Sanvitto

CNR Senior Reseacher

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Dominici

CNR PostDoc

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Suarez

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Gianfrate

milen_degiorgiMilena

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CNR Technologist

Viso_UomoAntonio

Fieramosca

Associate PhD Student

Viso_UomoDavide

Caputo

Associate PhD Student

Publications

  1. D. G. Suárez-Forero, G. Cipagauta, H. Vinck-Posada, K. M. Fonseca Romero, B. A. Rodríguez, D. Ballarini, Entanglement properties of quantum polaritons, Physical Review B, 93, 205302, (2016), ISSN: 1754-5692; doi: 10.1103/PhysRevB.93.205302
  2. L. Dominici, M. Petrov, M. Matuszewski, D. Ballarini, M. De Giorgi, D. Colas, E. Cancellieri, B. Silva Fernández, A. Bramati, G. Gigli, A. Kavokin, F. Laussy, D. Sanvitto, Real-space collapse of a polariton condensate, Nature Communications, 6, 8993, (2015), ISSN: 20411723; doi: 10.1038/ncomms9993
  3. L. Dominici, G. Dagvadorj, J. M. Fellows, S. Donati, D. Ballarini, M. De Giorgi, F. M. Marchetti, B. Piccirillo, L. Marrucci, A. Bramati, G. Gigli, M. H. Szymaska, D. Sanvitto, Vortex and half-vortex dynamics in a spinor quantum fluid of interacting polaritons, Science Advances, 1, e1500807, (2015), ISSN: 2375-2548; doi: 10.1126/sciadv.1500807
  4. L. Dominici, D. Colas, S. Donati, J.?P. Restrepo Cuartas, M. De Giorgi, D. Ballarini, G. Guirales, J.C. López Carreño, A. Bramati, G. Gigli, E. del Valle, F.P. Laussy, and D. Sanvitto, Ultrafast Control and Rabi Oscillations of Polaritons, Physical Review Letters, 113, 226401 (2014), ISSN: 0031-9007; doi: 0.1103/PhysRevLett.113.226401
  5. D. Colas, L. Dominici, S. Donati, A.A. Pervishko, T.C.H. Liew, I.A. Shelykh, D. Ballarini, M. de Giorgi, A. Bramati, G. Gigli, E. del Valle, F.P. Laussy, A.V. Kavokin, D. Sanvitto, Polarization shaping of Poincaré beams by polariton oscillations, Light Science & Applications, 4, e350 (2015), ISSN: 2047-7538; doi: 10.1038/lsa.2015.123
  6. H.S. Nguyen, D. Gerace, I. Carusotto, D. Sanvitto, E. Galopin, A. Lemaître, I. Sagnes, J. Bloch, and A. Amo, Acoustic Black Hole in a Stationary Hydrodynamic Flow of Microcavity Polaritons, Physical Review Letters, 114, 036402 (2015), ISSN: 0031-9007; doi: 10.1103/PhysRevLett.114.036402
  7. A. C. Berceanu, L. Dominici, I. Carusotto, D. Ballarini, E. Cancellieri, G. Gigli, M. H. Szymanska, D. Sanvitto, F. M. Marchetti, On multicomponent polariton superfluidity in the optical parametric oscillator regime, Physical Review B, 92, 035307 (2015), ISSN: 1098-0121; doi: 10.1103/PhysRevB.92.035307
  8. J.C. López Carreño, C. Sánchez Muñoz, D. Sanvitto, E. del Valle, F.P. Laussy, Exciting polaritons with quantum light, Physical Review Letters, 115, 196402 (2015), ISSN: 0031-9007; doi: 10.1103/PhysRevLett.115.196402
  9. E. Cancellieri, T. Boulier, R. Hivet, D. Ballarini, D. Sanvitto, M. H. Szymanska, C. Ciuti, E. Giacobino, A. Bramati, Merging of vortices and antivortices in polariton superfluids, Physical Review B, 90, 214518 (2014), ISSN: 1098-0121; doi: 10.1103/PhysRevB.90.214518

Other Selected Publications

  1. D. Sanvitto, S. Pigeon, A. Amo, D. Ballarini, M. De Giorgi, I. Carusotto, R. Hivet, F. Pisanello, V. G. Sala, P. S. S. Guimaraes, R. Houdré,E. Giacobino, C. Ciuti, A. Bramati, G. Gigli, All-optical control of the quantum flow of a polariton condensate, Nature Photonics, 5, 610 (2011) , ISSN: 1749-4885; doi: 10.1038/nphoton.2011.211
  2. A. Amo, S. Pigeon, D. Sanvitto, V. G. Sala, R. Hivet, I. Carusotto, F. Pisanello, G. Leménager, R. Houdré, E Giacobino, C. Ciuti, A. Bramati, Polariton Superfluids Reveal Quantum Hydrodynamic Solitons, Science, 332, 1167 (2011), ISSN: 1095-9203; doi: 10.1126/science.1202307

Projects

POLAFLOW: Polariton condensates: from fundamental physics to quantum based devicesStarting Grant ,FP7 – IDEAS – ERC-2012-StG, panel PE2 (2012-2017)

Latest News

I° meeting TecnoMed Puglia

Lecce, 05 dicembre 2019 - Aula Rita Levi Montalcini - CNR NANOTEC Lecce

Si terrà domani, giovedì 05 dicembre, con inizio alle ore 14.00 presso l'aula Rita Levi Montalcini del Cnr Nanotec, il "I° meeting TecnoMed Puglia: Tecnopolo per la medicina di precisione". Il meeting mira a fare il punto sulle attività programmate, sullo stato di avanzamento e sugli highlights.

Puoi scaricare la locandina da qui

Jam session Nanotec... note di scienza su scala nanometrica

Lecce, 27 settembre 2019 - ex monastero degli Olivetani "CAR-T: l'alba di una nuova era"  con: Attilio Guarini (IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari)  introduce e modera: Marco Ferrazzoli (Ufficio Stampa CNR Roma) a cura di: Gabriella Zammillo 

Le CAR-T (Chimeric Antigens Receptor Cells-T) sono cellule modificate in laboratorio a partire dai linfociti T. Rappresentano una nuova strategia di cura che sfrutta il sistema immunitario per combattere alcuni tipi di tumore come linfomi aggressivi a grandi cellule e leucemie linfoblastiche acute a cellule B. Il prof Attilio Guarini, ematologo all’Istituto tumori Giovanni Paolo II di Bari, le definisce la “vis sanatrix naturae della antica medicina salernitana”, trattandosi del potenziamento dell’attività citotossica dei linfociti del paziente opportunamente ingegnerizzati per riconoscere e contrastare alcuni tipi di cellule tumorali.

 

Le CAR-T possono quindi essere definite un “farmaco vivente” proprio perché prodotto a partire dalle cellule dello stesso paziente aprendo così ad un nuovo mondo, considerato che i farmaci convenzionali sono prodotti da sostanze chimiche o, in alternativa, sono anticorpi prodotti in laboratorio dai biologi. Un trattamento estremamente complesso e costoso, non sempre applicabile, ma laddove possibile, dai risultati incoraggianti per le aspettative di vita. Lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di CAR-T è parte integrante delle attività di ricerca condotte dal TecnoMed Puglia, il TecnoPolo per la Medicina di Precisione, coordinato da Giuseppe Gigli direttore del Cnr Nanotec di Lecce, e che nel suo nucleo fondatore vede anche l’IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari, il Centro di malattie neurodegenerative e dell’invecchiamento cerebrale dell’Università di Bari con sede presso l’Ospedale " G. Panico" di Tricase e la Regione Puglia.

 

L'evento apre la nuova stagione della rassegna divulgativa "Jam session Nanotec: note di scienza su scala nanometrica", un progetto Cnr Nanotec di Gabriella Zammillo, realizzato in collaborazione con Liberrima.

A condurre e moderare la serata, Marco Ferrazzoli, capo ufficio stampa dal CNR. Puoi scaricare la locandina da qui

Notte dei Ricercatori

Lecce, 27 settembre 2019

 

ex monastero degli Olivetani, ore 18:00 - 24:00

 
 Ritorna puntuale la Notte dei Ricercatori, l’evento più atteso dai tanti appassionati di scienza, ghiotti di conoscenza senza distinzione di età. E sempre più densa di contenuti è la partecipazione del @CnrNanotec che, per l’edizione 2019,  ha reso ancora più appetibile il calendario degli appuntamenti programmati all’interno del progetto europeo #ERN-Apulia  coordinato da Unisalento, tracciando un ideale tour tra gli intriganti campi del sapere che si dipana attraverso narrazioni, illustrazioni, laboratori hand-on, dibattiti, giochi per grandi e piccini e rappresentazioni teatrali. Clicca qui per il programma completo delle attività di Nanotec.   Per l'evento completo apri il link: www.laricercaviendinotte.it