Kæmpe kvantetornadoer i et hybrid lysstofsystem giver indsigt i komplekse fysiske fænomener

Forskere fra Skoltech og deres kolleger fra Storbritannien har formået at skabe en stabil kæmpe hvirvel i interagerende polaritonkondensater, adressering af en kendt udfordring inden for kvantiseret væskedynamik. Resultaterne åbner muligheder for at skabe unikt strukturerede sammenhængende lyskilder og udforske mange kropsfysik under unikke ekstreme forhold. Avisen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

I væskedynamik, en hvirvel er et område, hvor en væske kredser omkring et punkt (2D) eller en linje (3D); du har tydeligt set en i din vask eller kan have følt en i form af turbulens, mens du flyver. Kvanteverdenen har også hvirvler:Strømmen af ​​en kvantevæske kan skabe en zone, hvor partiklerne cirkulerer vedvarende omkring et eller andet punkt. Den prototypiske signatur af sådanne kvantehvirvler er deres entydige fase i kernen af ​​hvirvelen.

Skoltech-professorer Natalia Berloff og Pavlos Lagoudakis og kollegaer studerede hvirvler skabt af polaritoner-ulige hybridkvantepartikler, der er halvlys (foton) og halvstof (elektroner)-der danner en kvantevæske under de rigtige forhold. De ledte efter en måde at skabe vorter i disse polaritonvæsker med høje værdier af vinkelmoment (dvs. får dem til at rotere hurtigt). Disse hvirvler, også kendt som kæmpe hvirvler, er generelt meget svære at opnå, da de har tendens til at bryde op i mange mindre hvirvler med lav vinkelmoment i andre systemer.

Oprettelse af stabile gigantiske hvirvler viser, at ikke-ligevægts (åbne) kvantesystemer, ligesom polariton kondensater, kan overvinde nogle alvorlige grænser for deres termodynamiske ligevægtsmodstykke såsom Bose-Einstein-kondensater af kolde atomer. Kontrol over hvirviliteten af ​​en kvantefluid kan åbne nye perspektiver på analog simulering af tyngdekraften eller sort huls dynamik i den mikroskopiske verden. I øvrigt, polariton -kondensatet udsender kontinuerligt fotoner, der bærer alle virvelens forviklinger, som kan blive vigtige for optisk datalagring, fordeling, og behandling af ansøgninger.

Forskerne havde arbejdet på at bruge interagerende polaritonkondensater som kandidater til at simulere en plan vektormodel kendt som XY -modellen. De indså, at når flere kondensater blev arrangeret i en regulær polygon med et ulige antal hjørner, kunne hele systemets jordtilstand svare til en partikelstrøm langs polygonkanten. Ved at gå fra en trekant, femkant, heptagon, og så videre, forfatterne viste, at strømmen roterede hurtigere og hurtigere, danner en kæmpe hvirvel med varierende vinkelmoment.

"Dannelsen af ​​stabil med uret, eller mod uret, polaritonstrømme langs omkredsen af ​​vores polygoner kan tænkes som et resultat af geometrisk frustration mellem kondensaterne. Kondensaterne interagerer som oscillatorer, der ønsker at være i antifase med hinanden. Men en ulige-nummeret polygon kan ikke tilfredsstille denne faseforhold på grund af dens rotationssymmetri, og derfor nøjes polaritonerne med det næstbedste, som er en roterende strøm, "siger første forfatter Tamsin Cookson.

"Dette er en meget flot demonstration af, hvordan polaritoner kan give en meget fleksibel sandkasse til at undersøge nogle af de mere komplekse naturfænomener. Det, vi viser her, er et system, der deler mange egenskaber med et sort hul, som stadig udsender, et hvidt hul, hvis du ønsker det. "tilføjer professor Lagoudakis.