Физики промоделировали солитон, который гаснет по команде
Ученые из МФТИ с коллегами из Китая выяснили, что солитон в конденсате экситонных поляритонов можно заставить исчезнуть, а затем вернуть обратно. Расчеты показали, что длительностью паузы удается управлять в пределах от нуля до 244 пикосекунд при времени отклика системы 24 пикосекунды.
Экситонный поляритон — квазичастица, наполовину свет, наполовину вещество. От световой половины поляритон наследует крошечную массу: эффективная масса нижних поляритонов примерно в 10 тысяч раз меньше массы свободного электрона. Поэтому поляритоны собираются в конденсат Бозе—Эйнштейна не при милликельвинах, как холодные атомы, а при температурах от единиц кельвинов до комнатной. Это очень перспективно для создания электроники и вычислительной техники будущего, в том числе квантовых компьютеров, но сначала нужно решить множество технических сложностей. Важнейшая из таких проблем — создание устойчивых и управляемых возбуждений в поляритонном конденсате, на основе которых можно делать оптически активные элементы. Поляритоны непрерывно утекают из резонатора вместе с уходящим светом, и конденсат приходится все время подпитывать лазерной накачкой.
Именно поэтому в поляритонном конденсате трудно удержать солитон — сгусток, который не расплывается. Однородная накачка не умеет балансировать усиление и потери локально. Поэтому солитоны в такой системе разваливаются.
В 1998 году Карл Бендер и Стефан Беттхер показали, что открытая система с усилением и потерями способна вести себя как замкнутая, пока перекос между ними не превысит порог.
Это решетка, в которой одни участки усиливают волну, а другие ровно так же ее гасят, причем зоны усиления сдвинуты относительно зон потерь. В оптике такие решетки изучены хорошо: солитоны на них преломляются, рассеиваются и проходят барьер в одну сторону. В неравновесных поляритонных системах — до сих пор не было известно, какие топологические объекты остаются стабильными в присутствии такой решетки с чередующимися полосами накачки и затухания.
Исследователи поставили вопрос: что случится с одномерным ярким солитоном, если пропустить его через PT-симметричную периодическую решетку, сила которой сначала экспоненциально нарастает, а затем спадает. Работа опубликована в журнале Physical Review Research.
Они провели тщательное физическое моделирование. Параметры взяли близкими к тем, что указаны в научных публикациях по поводу экспериментов на микрорезонаторах из арсенида галлия: скорость потерь поляритонов 0,3423 пс⁻¹, скорость потерь резервуара 0,5 пс⁻¹, константа самодействия 3,29·10⁻³ мэВ·мкм².
Первый результат — статический. Комбинация решетки и составной гауссовой накачки, то есть однородного фона плюс гауссова пучка, рождает устойчивые щелевые солитоны — состояния, живущие в запрещенной зоне периодического потенциала.
Самое интересное началось с динамикой. Налетев на решетку с экспоненциально растущим, а затем спадающим барьером, яркий солитон не проходит ее насквозь. Сначала он расплывается в поляритонную волну по всему пространству, потом волна затухает до нуля и солитон исчезает совсем, а спустя некоторое время собирается заново в прежнем виде. В одном из расчетов пауза составила 118 пикосекунд.
Куда девается солитон, подсказала плотность экситонного резервуара. В момент превращения солитона в волну она резко падает — резервуар отдает высокоэнергичные экситоны. Когда волна гаснет, плотность также резко растет: конденсат рассыпается, и перестает стимулировать отток частиц из резервуара.
Чтобы убедиться, что переключение обусловлено именно неравновесностью системы, ученые одновременно масштабировали коэффициенты нелинейного усиления и линейных потерь. При множителе 0,001 система становилась почти консервативной, и солитон после барьера скатывался в хаотическое состояние. При множителе 0,5 он исчезал и уже не возвращался. При 1,5 — проходил барьер, лишь ненадолго превратившись в волну.
Полноценное переключение живет только рядом с единицей — при тех усилении и потерях, что как раз характерны для реального образца.
Исследователи предложили активную схему управления солитоном: после того как солитон пропал, в систему добавляли короткий нерезонансный гауссов импульс накачки. Он быстро восстанавливает баланс усиления и потерь. Без импульса пауза длилась 244 пикосекунды, импульсом ее удавалось сократить вплоть до нуля.
Численный счет вскрыл и эффект насыщения: у каждой длительности импульса есть своя пороговая интенсивность, выше которой длительность перестает что-либо менять, причем более короткому импульсу нужен примерно в два с половиной раза более сильный порог.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, так рассказал о сути проведенных исследований: «Мы описали схему эксперимента, который можно поставить на существующих микрорезонаторах с жидкокристаллическим слоем: два интерферирующих нерезонансных лазера задают и вещественную, и мнимую части решетки, третий пополняет экситонный резервуар, а прерыватель обеспечивает нужную временную зависимость. Следующий шаг — перейти от численного моделирования к эсперименту и проверить, сохранится ли предсказанное окно управления от нуля до 200 с лишним пикосекунд. В случае удачи мы планируем перенести идею на двумерные структуры, в которых сгусток поляритонов можно будет не только гасить, но и адресно перемещать».
Солитон здесь работает как бит: решетка его выключает, импульс накачки включает обратно, а длительность выключенного состояния задают интенсивность, длительность и момент впрыска импульса. Это может позволить в будущем сделать активный оптический элемент на поляритонах.
Telegram 
Дзен 
VK 
