Российские физики из Сколтеха совместно с коллегами из Кембриджского, Кардиффского и Саутгемптонского университетов (Великобритания) создали гигантский квантовый «торнадо» во взаимодействующих поляритонных конденсатах, что решает одну известную проблему квантовой гидродинамики. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, помогут разработать новые когерентные источники света и открывают новые возможности для изучения физики в экстремальных условиях, например, черных дыр. Кратко об этом рассказывается в пресс-релизе на Phys.org.
Поляритоны — квазичастица, состоящая из фотона и какого-либо возбуждения среды, например, кванта колебательного движения в кристалле (фонон), кванта электронного возбуждения в диэлектрике, полупроводнике или металле (экситон), кванта плазменных колебаний (плазмон) и так далее. Взаимосвязанные фотоны и экситоны ведут себя подобно бозонам, то есть способны занимать одно и то же квантовое состояние (в отличие от фермионов, на которые распространяется принцип запрета Паули). Это значит, что этот тип поляритонов способны конденсироваться, формируя аналог конденсата Бозе-Эйнштейна — особую фазу материи, в которой квантовые эффекты могут наблюдаться невооруженным глазом. У Бозе-конденсата это может быть сверхтекучесть, у поляритонных конденсатов — излучение когерентного света подобно лазерам.
В сверхтекучих средах могут возникать квантовые вихри, когда частицы или квазичастицы формирует циркулирующие токи, обладающие некоторым угловым моментом и вращающиеся вокруг определенной точки. В определенных условиях поляритоны образуют квантовую жидкость, в которой могут возникать квантовые вихри. Ученые Сколтеха искали способ, как создать вихри, обладающие высоким значением углового момента, то есть как заставить их быстро вращаться. Подобные гигантские вихри обычно неустойчивы и быстро распадаются с образованием более мелких вихрей с небольшим угловым моментом.
Исследователи выяснили, что, когда несколько поляритонных конденсатов, объединяются в правильный многоугольник с нечетным числом вершин, основное состояние всей системы соответствует потоку частиц вдоль края многоугольника. При добавлении числа вершин (треугольник, пятиугольник, семиугольник и т.д.) квантовый ток начинает циркулировать все быстрее, образуя гигантский вихрь.
Контроль за размером квантовых вихрей имеет несколько важных применений, включая создание моделей гравитации и даже аналогов черной дыры. Кроме того, поляритонный конденсат непрерывно испускает фотоны, в которых могу быть «зашифрованы» физические параметры вихрей, что позволит разработать новые технологии оптической записи информации.
