Американские физики изучили поведение поляритонов на основе волн материи. Они создавали такие квазичастицы, смешивая два уровня холодных атомов в оптической решетке, один из которых соответствовал запертому атому, а другой — свободному. Ученые увидели фазовый переход поляритонного конденсата из состояния моттовского изолятора в сверхтекучее состояние.

Исследование опубликовано в Nature Physics.

Распространение квантов света в среде часто представляют себе в виде последовательности поглощения, испускания и свободного распространения фотона до следующего атома. В реальности все происходит несколько сложнее. Волновая функция фотона, пролетевшего через атом, представляет собой суперпозицию двух вкладов: один — от не взаимодействовавшего фотона, другой — от поглощенного и переизлученного. В оптически плотной среде суперпозиция включает в себя взаимодействия со всеми атомами на пути фотона. Такую сложную картину можно описать, заменив фотон поляритоном — квазичастицей, чьи дисперсионные соотношения (в частности, эффективная масса и групповая и фазовая скорости) учитывают результат всей многоканальной интерференции.

Особого успеха физики достигли, смешивая свет не с атомами, а со связанными состояниями электрона и дырки в полупроводнике — экситонами (подробнее о поляритонах и экситонах читайте в нашем материале «Зоопарк квазичастиц»). Это позволило создать условия для сильного эффективного фотон-фотонного взаимодействия, проявлениями которых стала поляритонная конденсация и многочастичные связанные состояния. Таким образом, поляритоны выглядят как перспективная платформа для квантовых симуляций, которая, однако, требует контроля диссипации и масштабируемости.

Группа физиков из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук под руководством Доминика Шнебле (Dominik Schneble) предложила расширить возможности поляритоники, заменив свет на волны материи. В их исследовании роль среды играли атомы, запертые в минимумах оптической решетки, а роль света — те же атомы, но в возбужденном состоянии, в котором их можно описать в виде волн. Свойствами и взаимодействием новых частиц можно было легко управлять с помощью параметров наложенного микроволнового поля, а также характером модуляции оптической решетки. Это дало авторам возможность наблюдать фазовый переход поляритонов из моттовского в сверхтекучее состояние.

Сначала физики помещали конденсат из 10 тысяч атомов рубидия, находящихся в основном сверхтонком состоянии, в двумерную оптическую ловушку с большой глубиной. Перпендикулярно ей вдоль оси z они накладывали еще одну оптическую решетку (z-решетку), чья глубина в ходе эксперимента изменялась. Авторы облучали атомы микроволновым полем с частотой, близкой к частоте перехода из основного в возбужденное сверхтонкое состояние. Это приводило к гибридизации (суперпозиции) обоих уровней.

Длина волны и поляризация лазера, формирующего вторую решетки, были подобраны таким образом, чтобы верхнее состояние не испытывало никакого барьера при движении вдоль оси z. Такую ситуацию еще можно описать с помощью большой и малой эффективных атомных масс, соответствующих различным состояниям. Хотя верхняя волна была привязана к определенному месту в z-решетке, ее волновая функция простиралась в соседние ячейки. С некоторой вероятностью, которую контролировали экспериментаторы, это приводило к перескокам поляритонов.

(a) Схема экспериментальной установки. (b) Потенциал z-решетки, представленный горизонтально. / Joonhyuk Kwon et al. / Nature Physics, 2022

Гибридизованные поляритонные моды также делились на верхнюю и нижнюю с соответствующими дисперсионными соотношениями. Физики увидели перекачку энергии между ними, накладывая гармоническую модуляцию на глубину z-решетки. При некоторых частотах этой модуляции эффективно возбуждались верхние поляритонные моды, что выражалось в большем разнообразии атомных импульсов, которое авторы фиксировали с помощью времяпролетной техники измерения.

Увиденное изменение в импульсах — это, по сути, переход между режимом моттовского изолятора к режиму сверхтекучего поляритонного конденсата. Чтобы окончательно убедиться в этом, физики исследовали зависимость ширины импульсных распределений от амплитуды модуляции. Полученная зависимость оказалась в хорошем согласии с моделированием. В будущем авторы надеются изучить на материально-волновых поляритонах более сложные эффекты, например топологические изоляторы.