Исследователи из Сколтеха, Политехнического университета Валенсии, Института спектроскопии РАН, Варшавского университета и Исландского университета продемонстрировали спонтанное формирование массива квантовых вихрей и их синхронизацию в оптически возбуждённых полупроводниковых микрорезонаторах. Учёные показали, что в соседних ячейках оптически сгенерированных решёток наблюдается тенденция к образованию поляритонных квантовых вихрей с противоположным знаком топологического заряда, т.е. возникновению между вихрями «антиферромагнитной связи». Оптически напечатанные искусственные решётки, состоящие из взаимодействующих поляритонных вихрей, представляют собой новую перспективную платформу для изучения и моделирования конденсированных систем путём проекции спинового углового момента на орбитальный угловой момент поляритонного конденсата. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Динамику квантовых вихрей в экситон-поляритонных системах уже давно изучают с помощью различных методов оптического возбуждения, однако продемонстрировать протяженные двумерные структуры со связанными по фазе квантовыми вихрями в диссипативных системах с накачкой до сих пор не удавалось. В данной работе авторам удалось полностью оптическими методами возбудить треугольную решётку из 22 ячеек с захваченными в ловушки поляритонными конденсатами, каждый из которых находится в состоянии вихря с топологическим зарядом +1 или -1.

Как добиться возбуждения решётки квантовых вихрей и заставить их взаимодействовать между собой?

Все эксперименты проводились в Лаборатории гибридной фотоники Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха, которую возглавляет вице-президент по фотонике профессор Павлос Лагудакис.

При проведении экспериментов учёные использовали полупроводниковую планарную микроструктуру, представляющую собой два сильноотражающих зеркала (микрорезонатор) с находящимися между ними квантовыми ямами InGaAs. Известно, что при определённых условиях, а именно, в режиме сильной связи между светом и веществом, в таких системах образуются квазичастицы — экситон-поляритоны, представляющие собой связанные состояния экситонов в квантовых ямах и фотонов, локализованных в микрорезонаторе.

«Мы оптически возбудили полупроводниковый микрорезонатор с помощью структурированного лазерного излучения, используя метод пространственной модуляции света, который мы недавно освоили на высоком уровне вместе с коллегами из Саутгемптонского университета. С помощью этого метода нам удалось преобразовать лазерное изучение в массив сфокусированных гауссовых пучков, образующих гексагональную решётку. Затем, варьируя параметры решётки, мы установили, что при небольшом периоде решётки и мощности лазера, превышающей некоторую критическую величину, поляритоны конденсируются внутри ячеек решётки. Сначала мы экспериментально проверили, что происходит в одной ячейке. Оказалось, что захваченный в оптическую ловушку поляритонный конденсат возбуждается в вихревых состояниях с практически с одинаковой вероятностью для вихря (топологический заряд +1) и антивихря (топологический заряд -1). Однако, в паре соседних ячеек вихри взаимодействуют между собой, образуя стабильную структуру с противоположным знаком топологического заряда в каждой ячейке; при этом всегда образуется либо пара «вихрь-антивихрь», либо пара «антивихрь-вихрь». После этого мы исследовали физические параметры конденсатов в треугольной структуре из трёх ячеек, а затем в значительно более крупной треугольной решётке вихрей. Для меня самой сложной задачей оказалось выполнение статистического анализа огромного набора экспериментальных данных для обоснования наших выводов», — рассказывает первый автор статьи, старший преподаватель Сколтеха Сергей Аляткин.

«Получив такой результат, мы предположили, что вихри не только синхронизируются в небольших фрустрированных кластерах, но и проявляют признаки антиферромагнитного порядка в реализованной треугольной решётке. Для проверки этой гипотезы мы экспериментально измерили вихревой заряд (орбитальный угловой момент) каждого конденсата по всем ячейкам в отдельных, независимых реализациях системы и проверили наличие корреляций с низкоэнергетическими конфигурациями известного спинового гамильтониана Изинга. Выяснилось, что наблюдаемый орбитальный угловой момент в стабильных вариантах нашей вихревой решётки имеет сильные корреляции с низкоэнергетическими решениями антиферромагнитно связанных спинов в модели Изинга. Наши результаты показывают, что, проецируя сложную динамику одной физической системы на другую, можно найти необычные сходства», — добавляет физик-теоретик Варшавского университета д-р Хельги Сигурдссон.

Экспериментальная часть исследования выполнялась при поддержке Российского научного фонда (РНФ), грант № 21-72-00088. В состав исследовательской группы Сколтеха помимо ведущего автора статьи старшего преподавателя Сергея Аляткина вошли научный сотрудник Иван Гнусов, младший научный сотрудник Кирилл Ситник и профессор Павлос Лагудакис. Большой вклад в теоретическую часть исследования внесли доктор Хельги Сигурдссон (Варшавский университет и Исландский университет), профессор Ярослав Карташов (Институт спектроскопии РАН) и доктор Карлес Милиан (Политехнический университет Валенсии).