Международная группа физиков-теоретиков из Китая и России предложила и детально смоделировала новый способ управления экзотическими квантовыми объектами — «вихревыми молекулами». Эти устойчивые, вращающиеся пары или группы квантовых вихрей удалось сформировать в уникальной среде, известной как экситон-поляритонный конденсат. Изучение динамики вихрей в поляритонных конденсатах может привести к новым способам контроля света и материи на микроуровне и сделать квантовые технологии более эффективными.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B. В последние десятилетия физики проявляют огромный интерес к экситон-поляритонам — гибридным квазичастицам, которые являются своего рода химерой света и материи. Они рождаются в полупроводниковых микрорезонаторах, где фотоны (частицы света) и экситоны (возбужденные состояния электронов) настолько сильно взаимодействуют, что начинают вести себя как единое целое.
Благодаря своей световой компоненте поляритоны обладают очень легкой массой — в сотни тысяч раз легче свободных электронов.Это свойство позволяет им формировать конденсат Бозе-Эйнштейна — особое состояние вещества, где множество частиц ведут себя как одна гигантская квантовая волна — при температурах, значительно превышающих те, что требуются для превращения обычных газов в конденсат Бозе-Эйнштейна, вплоть до комнатной. Эта «квантовая жидкость из света и материи» постоянно подпитывается энергией от внешнего лазера и одновременно теряет ее, что делает ее уникальной неравновесной системой, в которой наблюдается множество необычных и сложных физических явлений.
Одним из таких явлений являются квантовые вихри — крошечные торнадо в поляритонном конденсате, каждый из которых несет в себе квант вращения. Подобно тому как атомы могут объединяться в молекулы, ученые давно стремились заставить вихри образовывать стабильные связанные состояния, так называемые «вихревые молекулы». Однако на этом пути стояла фундаментальная проблема: вихри с одинаковым направлением вращения естественным образом отталкиваются друг от друга. Чтобы удержать их вместе, требовалась некая притягивающая сила. Предыдущие подходы предполагали создание искусственных «ловушек» или «колышков» путем локального изменения интенсивности лазерной накачки, но это лишало вихри свободы движения и мешало изучать их естественную динамику.
Коллектив ученых поставил перед собой задачу: создать условия, в которых вихри могли бы свободно двигаться и взаимодействовать, но при этом были бы ограничены в пространстве притягивающей силой. Решение оказалось столь же изящным, сколь и эффективным. Исследователи предложили использовать однородную лазерную накачку в виде диска с конечным, но не резким, а сглаженным краем.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ, так прокомментировал суть подхода: «Мы искали способ создать для вихрей своего рода «идеальную игровую площадку», где два вихря не были бы привязаны к конкретным точкам, но держались бы вместе, образуя вихревую молекулу. Оказалось, что для этого не нужны сложные ухищрения и внешние силы. Наша модель показала, что сама природа поляритонного конденсата как открытой системы, где постоянно происходит приток и потеря энергии, порождает удивительный эффект. На границе области накачки возникает сила притяжения, которая мягко подталкивает вихри к центру, где они сближаются друг с другом и начинают вести себя как единая молекула. Граница области накачки, то есть граница света и тени, отражает налетающие на нее вихри подобно тому, как стенки чашки чая отражают водовороты, образующиеся, когда мы размешиваем в чае сахар. Внутри нашей световой «чайной чашки» вихри абсолютно свободны».
Используя численное моделирование на основе обобщенного уравнения Гросса-Питаевского, описывающего динамику конденсата, ученые поместили два вихря в такую световую ловушку и проследили за их движением. Вместо того чтобы разлететься, вихри начали исполнять сложный и упорядоченный парный танец. Их взаимное отталкивание было идеально сбалансировано силой, отталкивающей их от границы, в результате чего образовалась стабильная, динамически вращающаяся вихревая молекула.