Статья опубликована в журнале Applied Physics Letters и отмечена на обложке еженедельного выпуска. Новое исследование продолжает серию фундаментальных работ, посвященных оптическим вихрям — оптическим пучкам, фаза которых закручена по спирали вокруг оси их распространения. В 2022 году ученые Сколтеха, совместно с коллегами из Исландского университета и Саутгемптонского университета, впервые показали, как формируется кластер квантовых вихрей с периодически меняющимися зарядами. Авторам удалось обнаружить кластер из четырех вихрей и пронаблюдать периодические изменения знаков их зарядов с интервалом в одну пятую наносекунды.
«Поляритоны — это квазичастицы, состоящие из света и материи. Они способны формировать макроскопическое когерентное состояние по механизму конденсации Бозе-Эйнштейна — то есть такое состояние, когда возникает ансамбль этих частиц, и все они ведут себя, грубо говоря, как одна частица и описываются одной волновой функцией. Но конденсация поляритонов в неорганических микрорезонаторах достигается не при комнатной, а при экстремально низкой температуре, поэтому для наблюдения конденсации поляритонов мы помещаем образец, в котором они появляются, в криостат, где он охлаждается до четырех градусов Кельвина», — рассказывает о серии исследований первый автор работы Кирилл Ситник, младший научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники в Центре фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
«В 2006 году было показано, что на поляритонах можно наблюдать ту же самую физику, что и на холодных атомах, например, формирование квантовых вихрей. При этом экспериментальная техника получения конденсата намного проще. Поэтому мы исследуем физику конденсатов на поляритонах. Мы обнаружили, что при оптическом возбуждении поляритонного конденсата и при его захвате в оптическую ловушку, он может занимать одновременно два близко расположенных энергетических уровня, которые могут формировать массивы квантовых вихрей с периодически изменяющимися топологическими зарядами», — продолжил Кирилл Ситник.
В экспериментах вместо круговой ловушки использовалась эллиптическая, что привело к появлению двух пространственных состояний, занимающих разные энергетические уровни. Биения между этими состояниями и приводят к периодическим колебаниям знака топологического заряда, то есть к периодическим изменениям направления вращения такого вихря. Поэтому исследователи из Сколтеха в своих экспериментах варьировали эллиптичность оптической ловушки, и тем самым контролировали частоту перемены знака топологического заряда квантовых вихрей в поляритонных конденсатах. Для теоретического подтверждения экспериментальных результатов авторы использовали модель квантового гармонического осциллятора, продемонстрировавшую хорошо выраженную и предсказуемую тенденцию перестройки частоты. Модель также предсказывает нелинейное поведение этой частоты.