Российские и британские ученые решили известную проблему квантовой гидродинамики, создав устойчивый гигантский вихрь во взаимодействующих поляритонных конденсатах. Результаты работы открывают новые возможности для создания когерентных источников света с уникальной структурой, а также для исследований в области теории многих тел при экстремальных условиях. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Вихрь в гидродинамике — это область пространства, в которой жидкость вращается вокруг точки или линии. 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.
Исследователи из Сколтеха и их британские коллеги исследовали вихри, создаваемые поляритонами — гибридными квантовыми частицами, которые наполовину состоят из света, а наполовину из материи и при определенных условиях образуют квантовую жидкость. Ученые искали способ создания в таких поляритонных жидкостях вихрей с высокими значениями углового момента для наблюдения быстро вращающихся вихрей. Создание таких вихрей, которые еще называют гигантскими, — крайне сложная задача, так как вихрь имеет тенденцию распадаться на множество более мелких вихрей с низкими угловыми моментами.
Ученым удалось получить стабильный гигантский вихрь, что свидетельствует о том, что для открытых квантовых систем, таких как конденсаты поляритонов, не всегда свойственны жесткие ограничения. Контроль 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.
Авторы изучили возможность использования взаимодействующих конденсатов поляритонов в качестве возможного средства моделирования плоской векторной XY-модели. Оказалось, что если несколько конденсатов объединить в правильный многоугольник с нечетным числом вершин, то основное состояние всей системы будет соответствовать потоку частиц вдоль края многоугольника. При этом с увеличением числа граней поток начинает вращаться 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.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
