Группа учёных из Сколтеха под руководством вице-президента Сколтеха по фотонике Павлоса Лагудакиса, лауреата научной премии «Вызов», поделилась новыми результатами исследования поляритонных конденсатов. Учёные пришли к выводу, что при оптическом возбуждении поляритонный конденсат может занимать сразу два близко расположенных энергетических уровня, что позволяет формировать массивы квантовых вихрей. Результаты исследования могут быть полезны для совершенствования оптических пинцетов, увеличения ширины канала передачи данных в линиях оптической связи и в других сферах. Статья опубликована в журнале Applied Physics Letters и отмечена на обложке еженедельного выпуска.

Новое исследование продолжает серию фундаментальных работ, посвящённых оптическим вихрям — оптическим пучкам, фаза которых закручена по спирали вокруг оси их распространения. В 2022 году учёные 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 четырёх 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 четырёх 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.