|
Формирование квантового вихря в лаборатории
|
|
|
|
Квантовые вихри можно генерировать в классических экспериментах с жидким гелием и ультрахолодными разбавленными газами для проведения фундаментальных и сравнительных исследований различных сверхтекучих жидкостей. В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Иван Гнусов и исследовательская группа в области фотоники и физики из Великобритании, России и Исландии разработали эксперимент «вращающееся ведро», чтобы оптически удерживать квантовую жидкость света.
|
|
|
|
Эксперименты зависели от экситон-поляритонных конденсатов Бозе-Эйнштейна внутри полупроводникового микрорезонатора. Команда использовала биение двух одномодовых лазеров со стабилизацией частоты и сгенерировала асимметричный периодический по времени вращающийся нерезонансный профиль возбуждения. Затем они изучили зависимость частоты вращения, чтобы выявить диапазон частот перемешивания, способствующих формированию квантованного вихря. Результаты могут облегчить изучение сверхтекучести поляритонов, чтобы понять роль оптики в структурированном нелинейном свете.
|
|
|
Орбитальный угловой момент (OAM) в оптической завихренности необходим для кодирования и обработки оптической информации; это явление привело к разработке микролазерных устройств. Оптические вихри заметно отличаются от обычных вихрей, наблюдаемых во взаимодействующих жидкостях. Например, обычные вихри в изобилии встречаются в природе, начиная от огромных вихревых бурь в газовых поясах Юпитера и заканчивая крошечными квантовыми вихрями микронного масштаба в макроскопических квантовых системах, таких как сверхпроводники, сверхтекучие жидкости и конденсаты Бозе-Эйнштейна. В то время как оптические вихри имеют геометрическое происхождение, вихри в сверхтекучих жидкостях и конденсатах Бозе-Эйнштейна считаются топологическими дефектами.
|
|
|
|
Несмотря на значительные достижения в области поляритоники, исследователям еще предстоит понять образование вихрей в перемешиваемом поляритонном конденсате или в эксперименте с «вращающимся ведром» с жидким гелием или разбавленными квантовыми газами. Для создания явления физики использовали внешние электрические поля или магнитные поля. В этой работе Гнусов и его коллеги сформировали эксперимент с вращающимся ведром в поляритонном конденсате или бозонных квазичастицах, существующих внутри полупроводниковых микрорезонаторов, с помощью цилиндрически асимметричного оптического устройства. Затем они сформировали схему возбуждения, избивая ноту двух расстроенных по частоте одномодовых лазеров с противоположным орбитальным угловым моментом, чтобы сформировать составной луч.
|
|
|
|
Во время экспериментов команда оптически вводила поляритонный конденсат в неорганическую микрополость, содержащую брэгговские отражатели с квантовыми ямами, встроенными в оптическое поле внутри резонатора. Затем они поместили образец в криостат с холодным пальцем при температуре 4 К. После этого команда наложила два лазера с пространственной модуляцией на неполяризующий светоделитель, чтобы сформировать вращающуюся диаграмму возбуждения в форме гантели, где направление и частота вращения были получены из предыдущего исследования.
|
|
|
|
Для расстройки нулевой частоты между двумя лазерами команда отметила формирование статического резервуара горячих экситонов в форме гантели, который частично содержит поляритоны в пределах профиля возбуждения из-за отталкивающего взаимодействия между экситонами и поляритонами. Они количественно воспроизвели результаты с помощью численного моделирования с использованием обобщенного двумерного уравнения Гросса-Питаевского. Конкуренция между усилением и потерями привела к возникновению квантового вихря, который вращался вместе с экситонным резервуаром. Помимо способности воспроизводить образование квантовых вихрей во вращающихся поляритонных жидкостях, структурированные источники света с регулируемым зарядом нашли применение в классической и квантовой связи.
|
|
|
|
Гнусова и его коллег в первую очередь интересовала динамика эксперимента с вращающимся ведром относительно его зависимости от соответствующей частоты при формировании квантового вихря. Настроив частоту вращения картины возбуждения диаметром 14 мкм, команда наблюдала формирование квантового вихря в диапазоне от 1 до 4 ГГц. Ученые записали интерфейс для каждой частоты и извлекли фазовое распределение в реальном пространстве для 100 «однократных» реализаций. Затем они разработали алгоритм сортировки вихрей, чтобы различать состояния квантовых вихрей во время эксперимента. И снова команда объединила численное моделирование, чтобы количественно подтвердить экспериментальные наблюдения и квантовые вихри как функцию частоты вращения.
|
|
|
|
Таким образом, Иван Гнусов и его коллеги изучали формирование квантовых вихрей в ультрахолодных квантовых газах и жидком гелии, чтобы понять увлекательные фундаментальные и сравнительные исследования сверхтекучести. Команда реализовала формирование состояний квантового вихря в лаборатории с помощью эксперимента с вращающимся ведром на основе конденсатов поляритонов Бозе-Эйнштейна. Лежащая в основе физики сдвигов поляритонов требовала частот перемешивания в гигагерцовом диапазоне.
|
|
|
|
Благодаря существующей способности быстро создавать расширенные поляритонные сети, этот метод позволит исследователям создавать массивы вихрей и изучать сложное взаимодействие поляризации, орбитального углового момента и степеней свободы линейного импульса в крупномасштабных дискретных квантовых жидкостях. Экспериментальные демонстрации обеспечивают источник оптических вихрей для расширения возможностей приложений в классических и квантовых вычислениях с возможностью изучения переноса квантовых жидкостей.
|
|
|
|
Источник
|
