At skabe hvirvler i en superfluid lavet af lys

Ved at bruge en speciel kombination af laserstråler som en meget hurtig omrører har RIKEN-fysikere skabt flere hvirvler i et kvantefotonisk system og sporet deres udvikling. Dette system kunne bruges til at udforske eksotisk ny fysik relateret til fremkomsten af ​​kvantetilstande fra hvirvelstof. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nano Letters .

I princippet, hvis du skulle svømme i en pool fyldt med en supervæske, ville et enkelt slag være alt hvad du behøver for at svømme et uendeligt antal omgange. Det er fordi, i modsætning til normale væsker som vand, har supervæsker ingen modstand mod bevægelse under en bestemt hastighed.

Supervæsker opfører sig også mærkeligt, når de røres. "Hvis du rører en spand vand, får du typisk kun én stor hvirvel," forklarer Michael Fraser fra RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Men når du roterer en superfluid, skaber du først én hvirvel. Og når du roterer den hurtigere, får du gradvist flere og flere hvirvler af præcis samme størrelse."

Mens det også ses i flydende helium og atomare systemer, vises en form for superfluiditet af et system, der består af partikellignende enheder kendt som polaritoner, hvor en foton af lys kobler stærkt med en negativ elektron bundet til et positivt hul i en halvleder . Forskere ønsker at "røre" sådanne systemer, men det er udfordrende, da det kræver brug af ekstremt høje frekvenser - millioner af gange hurtigere end dem, der er nødvendige for atomsystemer.

Nu har Fraser og kolleger brugt en specialfremstillet laserstråle til usammenhængende at omrøre sådan et polaritonkondensat og skabe ensembler af hvirvler.

"Disse kondensater har eksisteret i mere end 15 år, og der er lavet en masse interessant fysik med dem," siger Fraser. "Men rotation af en polariton-superfluid, der får flere hvirvler til at samle sig og frit udvikle sig, var ikke blevet opnået før."

Holdet skabte deres specielle laserstråleomrører ved at kombinere en almindelig laserstråle med en, der havde en donut-lignende form. Frekvenserne af de to stråler var lidt forskudt, og denne frekvensforskel matchede den frekvens, der var nødvendig for at rotere polaritoner. Ved hjælp af denne stråle kunne forskerne kontrollere deres hastighed og rotationsretning og skabe hvirvler efter behag. De viste endda, at jo hurtigere rotation, jo flere hvirvler kunne fanges tæt på rotationsaksen.

Desuden stemte de eksperimentelle målinger, de opnåede, godt overens med simuleringer baseret på teori.

"Vores rotationsskema tillader således studiet af selvordnende vortex-dynamik i en åben-dissipativ platform - en, der konstant taber og vinder partikler," forklarer Fraser. "Dette er især spændende, da vi ikke kun forventer, at det udviser nye hvirvelfænomener, men det åbner også muligheder for at studere meget kvante, topologiske faser af lys."

Flere oplysninger: Yago del Valle-Inclan Redondo et al., Optically Driven Rotation of Exciton–Polariton Condensates, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01021

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af RIKEN