Исследователи Сколтеха и их коллеги из Великобритании успешно решили известную проблему квантовой гидродинамики, создав устойчивый гигантский вихрь во взаимодействующих поляритонных конденсатах. Полученные данные открывают новые возможности для создания когерентных источников света с уникальной структурой и исследований в области теории многих тел при экстремальных условиях.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

В гидродинамике под «вихрем» понимают область пространства, в которой жидкость вращается вокруг точки (в 2D) или линии (в 3D); такой «вихрь» мы наблюдаем, например, когда вода уходит в сток раковины, и ощущаем его в виде турбулентности, когда находимся на борту самолета. Вихри существуют и в квантовом мире: поток квантовой жидкости может создавать зону, в которой частицы постоянно вращаются вокруг некоторой точки. Характерный признак квантового вихря – наличие фазовой дислокации в ядре вихря.

Профессора Сколтеха Наталья Берлофф и Павлос Лагудакис и их коллеги исследовали вихри, создаваемые поляритонами – необычными гибридными квантовыми частицами, которые наполовину состоят из света (фотоны), а наполовину из материи (электроны), и при определенных условиях образуют квантовую жидкость. Ученые искали способ создания в этих поляритонных жидкостях вихрей с высокими значениями углового момента для наблюдения за быстровращающимися вихрями. Создание таких вихрей, которые еще называют гигантскими вихрями, – крайне сложная задача, поскольку в других системах такой вихрь имеет тенденцию распадаться на множество более мелких вихрей с низкими угловыми моментами.

Полученный результат в виде стабильных гигантских вихрей показывает, что для неравновесных (открытых) квантовых систем, в частности конденсатов поляритонов, не всегда свойственны жесткие ограничения, присущие их термодинамическим равновесным аналогам, таким как конденсаты Бозе-Эйнштейна холодных атомов. Реализация контроля над завихренностью квантовой жидкости может открыть новые возможности для аналогового моделирования гравитации или динамики черных дыр на микроскопическом уровне. Кроме того, конденсат поляритонов непрерывно излучает фотоны, наследующие в себе всю информацию о свойствах вихря, что может иметь важное значение для оптических систем хранения, передачи и обработки данных.

Исследователи изучили возможность использования взаимодействующих конденсатов поляритонов в качестве возможного средства моделирования плоской векторной XY-модели. В ходе исследования выяснилось, что если несколько конденсатов объединить в правильный многоугольник с нечетным числом вершин, то основное состояние всей системы будет соответствовать потоку частиц вдоль края многоугольника. Исследователи начали рассмотрение системы с треугольника, а затем реализовали пятиугольник, семиугольник и т.д. и показали, что с увеличением числа граней поток начинает вращаться все быстрее, создавая гигантский вихрь с переменным угловым моментом.

«Формирование стабильных поляритонных токов с вращением по часовой стрелке или против нее по периметру многоугольников можно считать результатом геометрической фрустрации между конденсатами. Конденсаты взаимодействуют между собой как колебательные системы, которые стремятся к движению в противофазе друг с другом, но многоугольник с нечетным числом граней в силу своей симметрии не может удовлетворять этому требованию, поэтому поляритонам приходится «довольствоваться» вращающимся током как близким к оптимальному состоянию», − рассказывает первый автор статьи Тамсин Куксон.

«Полученный результат наглядно показывает, что поляритоны могут быть очень удачной «песочницей» для исследования сложных природных явлений. Нам удалось продемонстрировать систему, которая имеет много общего с излучающей черной дырой или, если хотите, белой дырой!» − добавляет профессор Лагудакис.

Исследование проводилось с участием ученых Саутгемптонского, Кембриджского и Кардиффского университетов.