Исследователям из Сколтеха, Саутгемптонского и Исландского университетов удалось создать квантовые вихри во вращающемся резервуаре с «жидким светом», решив давнюю экспериментальную проблему. Ученые попытались концептуально воспроизвести эксперимент Ньютона: когда при вращении ведра с водой в центре образуется вихрь, напоминающий закручивающуюся воронку воды в стоке раковины. Однако при использовании сверхтекучих веществ, таких как жидкий гелий и атомные бозе-эйнштейновские конденсаты, которые обладают нулевым трением, получается совершенно иная картина.

В отличие от обычных жидкостей, закручивающихся при вращении в одиночный вихрь, сверхтекучие жидкости при частоте, превышающей некоторое критическое значение, образуют множество квантованных вихрей. Примечательно, что чем быстрее происходит вращение, тем больше вихрей образуется.

Статья об исследовании опубликована в журнале Science Advances.

В случае поляритонного конденсата — так называемого жидкого света, образующегося при криогенных температурах в результате установления сильной связи между светом и веществом (фотонами и экситонами) — жидкость создавалась в «ведре» из лазерного излучения. Ученые показали, что, если имитирующий ведро лазерный луч вращается, поляритонный конденсат внутри него также начинает вращаться, и при превышении некоторой критической частоты вращения в его центре образуется квантовый вихрь.

До сих пор получить такой вихрь не представлялось возможным из-за ограничений по скорости вращения «ведра». В силу динамики поляритонов для создания квантового вихря в жидком свете необходимо, чтобы резервуар вращался с гигагерцевой частотой, а такой уровень частот на много порядков превышает возможности лабораторных установок, используемых для формирования лазерного излучения: их максимальная частота значительно ниже 100 Гц.

Аспирант Сколтеха Иван Гнусов разработал оптическую установку, позволяющую преодолеть это ограничение. Установка была создана в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса. Предложенный подход основан на использовании двух лазерных лучей с незначительной разницей в энергии излучения. При их объединении возникают биения и образуется луч, вращающийся с частотой, соответствующей разнице между энергиями исходных лучей.

Схема созданной в Сколтехе экспериментальной оптической установки. Два различающихся по энергии лазерных луча, преобразованные с помощью пространственных модуляторов света (SLM) в совокупности образуют единый быстро вращающийся луч / ©Иван Гнусов и другие / Science Advances

Разработанная методика прошла успешную апробацию в ходе эксперимента, где Гнусову и его коллегам — научному сотруднику Сколтеха Сергею Аляткину и младшему научному сотруднику Кириллу Ситнику — удалось получить квантованные вихри в жидком свете в узком интервале частот вращения. При этом направления вращения вихрей и «ведра» совпадают, а значит, жидкий свет в буквальном смысле закручивается лазерным излучением.

Полученные экспериментальные результаты подтверждаются численным моделированием и теоретическими расчетами, выполненными коллегами из других организаций. В поляритонных конденсатах вихри возникают в узком диапазоне частот вращения — от одного до четырех ГГц, что более чем в миллиард раз выше, чем для сверхтекучего гелия, и в 10 миллионов раз выше, чем для атомных бозе-эйнштейновских конденсатов.

Разработка ученых не только является блестящей реализацией фундаментальных законов физики жидкого света, но и открывает возможности для исследования сверхтекучести поляритонных конденсатов в одном ряду с другими сверхтекучими жидкостями. Кроме того, эта работа демонстрирует возможность полностью оптического контроля над структурированным жидким светом, открывая новый подход к созданию вихрей. Наконец, применение к поляритонам высокоскоростной световой модуляции может положить начало принципиально новому направлению в поляритонике.