Fysikere kontrollerer overgange mellem forskellige materielle tilstande

En international gruppe af fysikere formåede for første gang at eksperimentelt observere overgangen mellem to materier, formerende polariton-solitons og et Bose-Einstein-kondensat. Desuden, fysikere udviklede en teoretisk model til at forklare sådanne overgange og fandt en måde at skifte mellem staterne ved at ændre laserpumpekraften i polariton -dannelsesprocessen. Resultaterne offentliggøres i Fysisk gennemgangsbreve .

Ikke -lineære systemer studeres grundigt i en lang række fysiske systemer, især inden for fotonik. I sådanne systemer, interaktioner mellem partikler fører til en hel række nye effekter, såsom ikke -lineære overgange mellem forskellige grundlæggende tilstande, herunder polaritoner, solitons og Bose-Einstein kondensater.

"Polaritoner er kvasipartikler dannet på grund af hybridiseringen mellem stof og lys. Når de er forsynet med yderligere energi og tætheder, de danner kollektive ophidselser, solitons. En soliton har evnen til at formere sig i rummet, bevarer sin form. Med andre ord, på trods af at det er en kollektiv stat bestående af mange partikler, en soliton opfører sig som en enkelt partikel. På samme tid, et Bose-Einstein-kondensat er en kvantetilstand af stof, hvor alle partikler, i vores tilfælde polaritoner, befolke systemets grundtilstand med minimal energi. Som regel, grundtilstanden udvides gennem hele området af det undersøgte system. Soliton og Bose-Einstein-kondensatet er to vidt forskellige regimer, og det lykkedes os at observere overgangen mellem dem, "forklarer Ivan Shelykh, leder af International Laboratory of Photoprocesses in Mesoscopic Systems ved ITMO University i St. Petersborg.

Gruppen sammensat af professor Maurice Skolnick, Dr. Dmitry Krizhanovskii og Dr. Maksym Sich fra University of Sheffield indhentede de eksperimentelle data, mens den teoretiske gruppe ledet af Ivan Shelykh udviklede en teoretisk model til kvantitativ beskrivelse af eksperimentet. "Først måtte vi lave polaritoner, "siger Maurice Skolnick." Dette krævede fremstilling af indledende halvlederstrukturer med præcist definerede funktioner. Derefter skinnede vi en laser på strukturen ved temperaturer så lave som 4 grader Kelvin, skabte polaritoner og opdagede det lys, de udsender. "

Forskerne observerede, at en stigning i laserpumpekraften udløste ikke -lineære effekter i systemet. "Forøgelse af lasereffekten, vi skaber flere og flere partikler, som begynder at interagere med hinanden. Derfor, hele systemet går ind i et ikke -lineært regime. Separate polaritoner danner solitoner, som derefter overføres til et Bose-Einstein-kondensat. Selvom det var klart, at vi havde opnået nogle interessante resultater, uden en god teori havde vi aldrig forstået, hvad de egentlig betød, "Skolnick fortsætter.

Den teoretiske model, der forklarer de eksperimentelle data, blev udviklet af Ivan Shelykhs gruppe. Dette samarbejdsarbejde blev udført med støtte fra en megagrant fra Ministeriet for Undervisning og Videnskab i Den Russiske Føderation om undersøgelse af hybridlystater. "Megagrant gav os mulighed for at indlede et produktivt samarbejde med førende eksperimenter fra Sheffield. I løbet af et år med vores samarbejdsarbejde udgav vi to store artikler, kombinere eksperimenter med teori, "Noterer Shelykh.

Yderligere forskningsplaner omfatter faldende størrelse af ikke -lineære overgangssystemer til subbølgelængden. Maurice Skolnick beskrev undersøgelsens perspektiver:"Nu har dette værk hovedsageligt grundlæggende betydning, da vi beskrev en helt ny fysik. Men når vi først har lavet miniatureapparater, det vil være muligt at anvende ikke -lineære overgange mellem forskellige materielle tilstande til telekommunikation eller, for eksempel, til oprettelse af nye lasere. "