Физики закрутили «жидкий свет» до небывалых скоростей в классическом эксперименте Ньютона с вращающимся ведром
Исследователям из Сколтеха, Саутгемптонского и Исландского университетов удалось создать квантовые вихри во вращающемся резервуаре с «жидким светом», решив давнюю экспериментальную проблему. Ученые попытались концептуально воспроизвести эксперимент Ньютона: когда при вращении ведра с водой в центре образуется вихрь, напоминающий закручивающуюся воронку воды в стоке раковины. Однако при использовании сверхтекучих веществ, таких как жидкий гелий и атомные бозе-эйнштейновские конденсаты, которые обладают нулевым трением, получается совершенно иная картина. В отличие от обычных жидкостей, закручивающихся при вращении в одиночный вихрь, сверхтекучие жидкости при частоте, превышающей некоторое критическое значение, образуют множество квантованных вихрей. Примечательно, что чем быстрее происходит вращение, тем больше вихрей образуется.
Статья об исследовании опубликована в журнале Science Advances. В случае поляритонного конденсата — так называемого жидкого света, образующегося при криогенных температурах в результате установления сильной связи между светом и веществом (фотонами и экситонами) — жидкость создавалась в «ведре» из лазерного излучения. Ученые показали, что, если имитирующий ведро лазерный луч вращается, поляритонный конденсат внутри него также начинает вращаться, и при превышении некоторой критической частоты вращения в его центре образуется квантовый вихрь.
До сих пор получить такой вихрь не представлялось возможным из-за ограничений по скорости вращения «ведра». В силу динамики поляритонов для создания квантового вихря в жидком свете необходимо, чтобы резервуар вращался с гигагерцевой частотой, а такой уровень частот на много порядков превышает возможности лабораторных установок, используемых для формирования лазерного излучения: их максимальная частота значительно ниже 100 Гц.
Аспирант Сколтеха Иван Гнусов разработал оптическую установку, позволяющую преодолеть это ограничение. Установка была создана в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса. Предложенный подход основан на использовании двух лазерных лучей с незначительной разницей в энергии излучения. При их объединении возникают биения и образуется луч, вращающийся с частотой, соответствующей разнице между энергиями исходных лучей.
Разработанная методика прошла успешную апробацию в ходе эксперимента, где Гнусову и его коллегам — научному сотруднику Сколтеха Сергею Аляткину и младшему научному сотруднику Кириллу Ситнику — удалось получить квантованные вихри в жидком свете в узком интервале частот вращения. При этом направления вращения вихрей и «ведра» совпадают, а значит, жидкий свет в буквальном смысле закручивается лазерным излучением. Полученные экспериментальные результаты подтверждаются численным моделированием и теоретическими расчетами, выполненными коллегами из других организаций. В поляритонных конденсатах вихри возникают в узком диапазоне частот вращения — от одного до четырех ГГц, что более чем в миллиард раз выше, чем для сверхтекучего гелия, и в 10 миллионов раз выше, чем для атомных бозе-эйнштейновских конденсатов.
Разработка ученых не только является блестящей реализацией фундаментальных законов физики жидкого света, но и открывает возможности для исследования сверхтекучести поляритонных конденсатов в одном ряду с другими сверхтекучими жидкостями. Кроме того, эта работа демонстрирует возможность полностью оптического контроля над структурированным жидким светом, открывая новый подход к созданию вихрей. Наконец, применение к поляритонам высокоскоростной световой модуляции может положить начало принципиально новому направлению в поляритонике.
Хотите узнать больше об исследованиях Лаборатории гибридной фотоники? Приглашаем вас на сайт лаборатории, где вы сможете познакомиться с ее сотрудниками, последними научными публикациями и программой семинаров по поляритонике. Экспериментальная часть проекта выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований.
Telegram 
Дзен 
VK Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Астробиологи с помощью сложных трехмерных климатических моделей доказали, что растительная жизнь на Земле способна просуществовать еще около 1,8 миллиарда лет. Это значительно дольше, чем предсказывали предыдущие расчеты.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно