В мире квантовой физики разворачивается удивительный танец вихрей, а российско-европейская команда исследователей из Сколтеха, Политехнического университета Валенсии, Института спектроскопии РАН, Варшавского университета и Исландского университета стала его режиссером. Им удалось продемонстрировать спонтанное формирование и синхронизацию множества квантовых вихрей в оптически возбуждаемых полупроводниковых микрорезонаторах – явлении, которое открывает новые горизонты для изучения конденсированных сред.
Поляритоны: Новые Танцоры Квантового Мира
Ключевыми участниками этого квантового балета являются поляритонные вихри – необычные квазичастицы, возникающие в особых условиях в полупроводниковых микрорезонаторах. Представьте себе замкнутый объем, где свет и материя тесно переплетены, образуя единое целое. В этом пространстве, при определенном взаимодействии с мощным светом, рождаются поляритоны – словно танцоры, состоящие из связанных состояний экситонов (возбужденных электрон-дырочных пар) и фотонов (частиц света).
Эти поляритоны способны принимать вихревые формы, подобно спинам в классической физике, но вместо вращения вокруг оси они обладают орбитальным угловым моментом. Именно эти квантовые вихри стали объектом исследования.
Оптическая Решетка и Антиферромагнитное Согласие
Ученые из Сколтеха, под руководством профессора Павлоса Лагудакиса, создали уникальную оптическую решетку – массив из 22 ячеек, каждая содержащая захваченный поляритонный конденсат с одним вихрем. Используя лазерный луч, разделенный на множество плотно сфокусированных лучей, они моделировали эту решетку внутри полупроводникового микрорезонатора.
Оказалось, что при определенной мощности возбуждения поляритоны в соседних ячейках не просто существуют независимо, а стремятся к противоположному топологическому заряду – словно танцоры, исполняющие антиферромагнитную хореографию. В одной ячейке вихрь (+1 заряд), в соседней – его антиполюс (-1 заряд). Такая синхронизация наблюдалась не только в малых группах, но и в более масштабной треугольной решетке из 22 ячеек.
Проверка Теории: Квантовый Изинговский Гамильтонов
Теоретики под руководством доктора Хельги Сигурдссона (Варшавский университет) подтвердили эти наблюдения, сравнивая экспериментальные данные с известным спиновым гамильтонианом Изинга. Этот математический аппарат, обычно применяемый для описания магнитных систем, оказался удивительно точным в моделировании поведения квантовых вихрей в этой необычной оптической решетке.
Открытия и Перспективы
Эта работа открывает новые возможности для изучения конденсированных сред с помощью квантовых вихрей. Изучение их динамики, взаимодействия и синхронизации может привести к созданию новых типов квантовых компьютеров, сенсоров и устройств для манипуляции информацией на квантовом уровне.
Подобно тому, как балетные танцоры, двигаясь в унисон, создают сложные и завораживающие композиции, так и синхронизированные квантовые вихри открывают перед нами дверь в мир невероятных возможностей для фундаментальных научных открытий и технологических инноваций.
